JPS60142678A - 自動焦点整合装置 - 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 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、そ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プルビデオテープレコーダ
と共に、その需要を急速に伸ばしつつある。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。

以下に従来の自動焦点整合装置について説明する。従来
の自動焦点整合装置として、赤外線を被写体に向けて発
射し、被写体より反射された赤外線を受光し、受光角度
より被写体までの距離を測定し、その距離によりレンズ
の焦点整合装置を所定の位置へ駆動すめ方式がある。前
記方式は、早い応答速度をもつが、被写体までの距離を
正確に測定でき、かつその測定結果によって確実にし／
３ベー〕 ズの焦点整合装置を所定の位置に駆動するには、焦点整
合装置の高い組立精度が必要であった。さらに、赤外線
を発射し、被写体からの反射光を利用しているため、距
離の遠い被写体が不得手であり、消費電力も少なくない
かどの問題点を有していた。

また、整合装置の組立精度を必要とせずかつ前述したよ
うな問題点を解決するものとして、ビデオカメラの撮像
素子より得られる映像信号を利用しかつレンズの焦点整
合装置をも含めてクローズトループを形成した自動焦点
整合装置がある。すなわち、撮像素子の受光面に結像し
ている被写体像を周期的、光学的にポカし、前記ボケに
対応する信号を前記撮像素子より得られる映像信号より
検出し、前記映像信号の高域周波数成分の信号振幅が最
大になるように、レンズの焦点整合装置を駆動するもの
である。以下、図面を用いて、前述したレンズをクロー
ズトループ内に入れる自動焦点整合装置の従来例につい
て説明する。

第１図は従来の自動焦点整合装置のプロ、ツク図を示す
ものである。第１図において、１はレンズ、２は被写体
の光学的情報を電気信号に変換する撮像素子ζ３は撮像
素子２より得た電気信号を増幅する前置増幅器、４は前
置増幅器３の出力信号をテレビジョン信号に変換するプ
ロセス回路、６はプロセス回路４、撮像素子駆動回路６
に各種同期信号を供給する同期信号発生器である０撮像
素子駆動回路６は撮像素子２を駆動する。７は前置増幅
器３の出力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［１１１のバン
ドパスフィルタである。８は高域周波数レベル検出回路
９の出力信号によって利得を可変する利得制御回路であ
る０高域周波数レベル検出回路９は高域周波数成分検出
回路７の出力信号のレベルが回路のダイナミックレンジ
内であるかを検出し、その結果を出力する。１０は基準
周波数発生回路で、１１は高域周波数成分内に含捷れる
基準周波数成分を検出する基準周波数成分検出回路で例
えば基準周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタ
である１、１２は基準周波数成分検５ベー 出回路１１の出力信号を基準周波数で同期検波する同期
検波回路、１３は基準周波数と同期検波回路１２の出力
信号でモータを駆動するモータ駆動回路、１４はレンズ
１の焦点整合装置を駆動するモータである。

以上のように構成された従来の自動焦点整合装置につい
て、以下その動作について説明する。

レンズ１の焦点整合装置は、モータ１４によって基準周
波数発生回路１０より発生する基準周波数で微動し、目
に検知できない程度にレンズの焦点を変化させる。撮像
素子２より得られる映像信号の高域周波数成分は、前記
フォーカスの微変動に対応する変化成分を含んでおり、
高域周波数成分検出回路７、基準周波数成分検出回路１
１によって検出される。同期検波回路１２は、検出され
た基準周波数成分の振幅と位相を検出し、モータ駆動回
路１２に加え、撮像素子２より得られる映像信号の高域
周波数成分の振幅が最大になるようにモータ１４を駆動
する。この点について、第２図を用いてもう少し詳細に
説明する。

６Ｉ＼− 第２図はモータ１４の駆動方向を検出する原理を説明す
る図である。縦軸は撮像素子２より得られる映像信号の
高域周波数成分のレベルで、横軸はレンズ１の焦点整合
装置の位置である○いま、被写体が距離Ｄ１に位置する
場合、高域周波数成分のレベルはレンズ１の焦点整合装
置が被写体までの距離に対応した位置で合焦し最大、そ
れより近距離側、遠距離側にズしても減少する山形特性
となり、第２図のようになる〇一方、ａｌ、ａ２はモー
タ１４の基準周波数での微変動を示しているＯａｌ　は
レンズ１の焦点整合装置が被写体まで距離に対応した位
置より近距離にあった場合で、この時、高域周波数成分
はｂｌ　のような振幅変調を受ける。またａ２　は遠距
離側にあった場合で、この時はｂ２のような振幅変調を
受ける。このように高域周波数成分はモータ１４の微変
動によって、基準周波数で振幅変調を受けることにガる
。前記振幅変調による高域周波数成分に含寸れる基準周
波数成分は、ｂｌ、ｂ２から明らかなように近距離側と
遠距離側で位相が１０００反転する。従って、７１＼−
− ｂｌ　のよう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、前記基準周波数成分を基準信号
で同期検波した信号でモータ１４を矢印Ｃ１の方向に駆
動するなら、ｂ２の場合ではＣ２の矢印の方向にモータ
１４が動くことになり、モータ１４は常に高域周波数成
分が最大になる所で安定する。このようにレンズの焦点
整合装置を含めてクローズトループを形成でき、焦点整
合装置の精度をラフにできるなどの特徴をもつ。しかし
、撮像素子２より得られる高域周波数成分のレベルは、
非常に大きなダイナミックレンジを持ち利得制御が必要
になる。この点について第３図を用いて説明する。

い捷、説明の簡単化のために被写体として第３図（（イ
）に示すような右半分暗、左半分明のパターンを考える
。この時、ｅ−ｅ’を走査して得られる映像信号は（す
のようになる。明部に相当する部分の照度をＩｍａｘ’
ｉ　暗部の照度を工ｍｉｎとするとき、コントラストＣ
は、 と々す、ＣはＯから１１で変わる。コントラストＣ＝ｏ
はパターン全体が一様な明るさで、明暗がない。寸だ、
暗部の照度が０のときコントラストＣは１となる。この
ような被写体を撮像して得られる高域周波数成分は、前
記コントラストＣに比例する。さらに、明暗の照度■ｍ
ａｘにも比例する。

ところで撮像素子より得られる映像信号の振幅は、照度
に比例するから、結局、高域周波数成分■Ｈは各照度に
対する映像信号の振幅をｖｍａ　ｘ　、”ｍ　ｉ　ｎと
すると ＶＨ，：Ｃ・”ｍａ　ｘ　”・・・・（１）■Ｖ　−Ｖ
、　・・・・・・（２） なる関係を毒だす。自動焦点整合装置を構成する場合、
コントラストＣのダイナミックレンジは、人間の検知限
界捷で保証する必要があり、２０数［ｄＢ：］以上ある
。一方、映像信号の振幅の最大値■ｍａｘのダイナミッ
クレンジは、ビデオカメラの場合、前記コントラストＣ
のダイナミックレンジ９ベー。

よりも広く、３ｏ数［：ｄＢ）以上ある。結局、高域周
波数成分ｖＨのダイナミックレンジは６０（ｄＢ）近く
必要になる。これは、回路上実現が困難であるばかりで
なく、ループゲインがｅ　ｏ　［ｄＢ］近く変ることと
等価になり、系が非常に不安定になる。

なぜなら、高域周波数成分に含まれる基本周波数成分は
、前記高域周波数成分のレベルに比例するからである。

また、回路が飽和し高域周波数成分のピーク部が抑圧さ
れるならば、高域周波数の振幅変調号が失われてしまう
。これでは基準周波数成分の検出が不可能になり、自動
焦点整合装置は全く動作しなくなり、致命的である。こ
のような理由から、自動焦点整合装置にとって、利得制
御は必須であり、利得制御回路８がそれを行うものであ
る。利得制御回路８は、高域周波数レベル検出回路９で
高域周波数成分のレベルが予め定められたダイナミック
レンジ内であるかを検出し、その結果に応じ利得を段階
的に変えるものである。

利得制御の手段として高域周波数成分の包絡線を一定値
にするＡＧＣループ方式も考えられるが、１０　、＜−
２ 一つのループ内に別のループをもっことは、応答。

安定性の面から実現が困難であり、前述したような段階
的利得制御が簡単かつ効果的である。利得制御回路８は
回路が飽和することなくかつループゲインの極端な変動
も抑えるために５段階程度の利得制御が必要である。

さて、レンズ１の焦点整合装置が合焦位置より近距離側
から合焦位置へ駆動された時の利得制御後の高域周波数
成分の変化を考える。最初利得制御回路８は、焦点が外
れて画像がボケて高域周波数成分が少ないため、高域周
波数成分検出回路７の出力が所定のダイナミックレンジ
内に入るように大きな利得を有している。焦点整合装置
が駆動され焦点が合うに従って高域周波数成分が増加す
る。高域周波数成分が所定のダイナミックレンジの上限
を超えると、高域周波数レベル検出回路９Ｐ奮 がこれを検出し、利得制御回路８は利得を１？げる。高
域周波数成分がさらに増えダイナミックレンジの上限を
超えると前述した利得制御を繰り返し合焦位置に至る。

ビデオカメラは室内がら屋１１べ−１ 外寸で使用されまた広範囲な被写体を撮像する。

従って、利得制御の回数は必然的に多くなる。ところで
、高域周波数成分検出回路７の出力は、利得制御の前後
で急激な変化を示す。基準周波数成分検出回路１１は前
述したように基準周波数を中心周波数とするバンドパス
フィルタであり、Ｓ／Ｎよく基準周波数成分を検出する
ためにそのＱは高くしである。このため、利得制御に伴
う高域周波数成分のレベルの急激な変化に対する応答は
悪く。

相当長い期間不要なリンギング成分を出力する。

本自動焦点整合装置は基準周波数成分検出回路１１の出
力信号を基準信号で同期検波してモータ１４を駆動して
いるため、前述した不要なリンギング成分は系の誤動作
を引起こす０誤動作を防止するには、利得制御するたび
にループを切るかモータを停止しなければならず、利得
制御の回数が多いとモータを駆動してから合焦を得るま
での応答時間が非常に遅くなる。これは動く被写体を撮
像する機会の多いビデオカメラの自動焦点整合装置とし
て致命的な問題である。

このように上記のような構成では、モータを駆動してか
ら合焦を得るまでの利得制御回数が多く誤動作防止のた
め利得制御のたびにモータを停止していたのでは、その
応答速度は実用に耐えうるものでないという問題点を有
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、応答速度
が早く動く被写体にも十分追従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
おいて、前記映像信号の振幅すなわち輝度のレベルを検
出し、前記検出結果によって利得制御する自動焦点整合
装置であり、映像信号の輝度レベルを検出し、利得制御
することにより、合焦を得るまでの利得制御の回数を大
幅に減らし、応答速度を飛躍的に向上することのできる
ものである。

１３ベー・ 実施例の説明 第６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６図において、１
６は輝度レベル検出回路１６の出力によって、映像信号
の振幅すなわち輝度レベルが所定のダイナミックレンジ
内になるように利得を変化させる輝度利得制御回路であ
る。輝度レベル検出回路１６は輝度のレベルを検出する
もので、特に（１）式のＶｎｌｌａｘを検出する様に構
成された輝度レベル検出回路で例えばピーク検出回路で
ある。

１７は第１図の利得制御回路８と同様に高域周波数レベ
ル検出回路９の出力によって利得を変化させる利得制御
回路であるが、その制御段数は少ないＯ 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。

高域周波数成分のレベルは、前述したように映像信号の
振幅すなわち輝度レベルに比例する。輝度レベルは、合
焦しているか否かに関係なく被写体が同じなら一定であ
る。映像信号の振幅す斤わ１４へ−− ち輝度レベルは、３０数（：ｄＢ）以上のダイナミック
レンジを有しており、利得制御の段数を増やす大きな要
因となっていたが、前記のように、画像がボケた状態で
あっても予め輝度レベルを検出し利得制御をしても、合
焦を得るまでにその結果は変らない。従って輝度レベル
を検出し利得制御を行なえばあとは、高域周波数成分は
コントラストによるダイナミックレンジ２ｏ数［ｄＢ］
だけを有することになる。この程度のダイナミックレン
ジなら、利得制御なしもしくは１段程度で実現でき域 る。高置周波数利得制御回路１７はこの部分の利得制御
をするものである。いま、高域周波数利得制御回路１７
は１段の制御段数をもっているとする。

本実施例によれば利得制御の回数は画像がボケた状態か
ら合焦に至るまでの間にどんな広範囲な被写体を撮像し
ても、最大限１回である。この程度の利得制御回数であ
れば、応答速度は利得制御の際にモータを止めたとして
も劣化することなく、従来の自動焦点整合装置に比し飛
躍的に応答速度１５ベー− が向上する。

以上のように本実施例によれば高域周波数成分のレベル
を検出し利得制御するとともに、輝度レベルを検出し利
得制御することによって、合焦を得るまでの間の利得制
御回数を大幅に減らし、応答速度を格段に向上するもの
である。また、画像が犬合くボケで十分な高域周波数成
分が得られず、例えばレンズの焦点整合装置をサーチす
る場合、輝度レベルで利得制御することによって十分な
基準周波数成分を得られない小さい高域周波数成分で切
換ることを防げる。

以下本発明の第２の実施例について、図面を参照しなが
ら説明する０ 第６図は本発明の第２の実施例を示す自動焦点整合装置
のブロック図である０ 同図において、１８は輝度レベル差検出回路１９の出力
によって利得制御する利得制御回路である。

輝度レベル差検出回路１９は輝度レベルの変化の差分、
すなわち（功式のｖｍａ　ｘ　’−”ｍ　ｉ　ｎ　に相
当するものを検出する輝度レベル差検出回路で、例えば
最大値と最小値を検出しその差をめるものである。

上記のように構成された第２の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。

輝度レベル差検出回路１９は前述したように（噂式のＶ
。ａｘ−■□ｉｎ　を検出するものであり、前記検出結
果から利得制御するならば（噂式から明らかなように他
の利得制御を一切必要としない。一方前述したように輝
度レベルは焦点整合状態に何ら関係しない。従って、本
実施例によれば、予め必要な利得制御を実施できモータ
を駆動して焦点整合状態を得るまでの間に、利得制御を
受けることはない。応答速度は利得制御に伴うモータの
停止がなくなるため、格段に向上する。

以上のように、本実施例によれば輝度レベルの変化の差
分を検出し利得制御することにより、焦点整合のためモ
ータを駆動する間に何ら他の利得制御を必要とせず、応
答速度を飛躍的に向上するものである。

なお、本発明は撮像素子の受光面に結像している被写体
像を周期的、光学的にポカし、前記ボケ１７ベーー に対応する信号を前記撮像素子より得られる映像信号よ
り検出し、前記映像信号の高域周波数成分の振幅が最大
になるように、レンズの焦点整合装置を駆動する自動焦
点整合装置において述べたが、それだけに制限されるも
のでなく、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、その振幅が最大になるようにレンズの焦
点整合装置を駆動する自動焦点整合装置全てに適用でき
るものである。例えば、高域周波数成分が増加する方向
にレンズの焦点整合装置を駆動して高域周波数成分がピ
ークになる点を検出する山登り制御方式の自動焦点整合
装置においても、当然高域周波数成分は広範なダイナミ
ックレンジを有しており利得制御が必要になる。そして
、速くかつ誤動作なくピークを検出するには、モータ駆
動開始から合焦位置に達するまでに利得制御が少ないほ
どよく、従って、本発明は効果的役割をするものである
。

また、撮像面に結像している被写体像を周期的。

光学的にボカす方法は何ら従来例に拘来されることはな
い。

１８べｍ− また、第１の実施例において、輝度利得制御回路１６は
前置増幅器３の後、高域周波数利得制御回路１７は輝度
利得制御回路１５の後としたが、これらの位置は、回路
が飽和するなどして系が正常に動作しない状態を発生し
なければ何ら制約がなくこれらを一つにまとめてもよい
。

また、輝度レベル検出回路１６は利得制御を受ける前の
輝度レベルの最大値を検出しているが、利得制御を受け
た後の輝度レベルが所定のダイナミックレンジ内かを検
出しても同じ効果が得られるＯ さらに、高域周波数レベル検出回路９も高域周波数利得
制御もしくは何ら利得制御を受けていない高域周波数成
分のレベルを検出するものであってもよい。

発明の効果 本発明の自動焦点整合装置は映像信号の振幅すなわち輝
度のレベル検出回路を設けることにより、応答速度を飛
躍的に向上することができその実用的効果は大きい。

１９ベー、

【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原
理図、第３図は高域周波数成分のダイナミックレンジの
広さを説明するための図、第４図はモータを合焦方向へ
駆動した時の利得制御による高域周波数成分の変化を示
す図、第６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、第６図は本発明の第２の実施例
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、３・
・・・・・前置増幅器、７・・・・・・高域周波数成分
検出回路、９・・・・・・高域周波数レベル検出回路、
１１・・・・・・基準周波数成分検出回路、１２・・・
・・・同期検波回路、１４・・・・・・モータ、１６・
・・・・・輝度利得制御回路、１６・・・・・・輝度レ
ベル検出回路、１７・・・・・・高域周波数利得制御回
路、１８・・・・・・利得制御回路、１９・・・・・・
輝度レベル差検出回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名＋　
〜 Ｉｆｉ　城 ４争４契縄篭に寮♀ 凶　４（す／１．！！／’ｌｐμｉ泉 第５図 第　６　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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手段を備え、かつ前記
   映像信号の振幅を検出し、前記検出結果によって映像信
   号の利得制御を行なうことを特徴とする自動焦点整合装
   置。 （勢　撮像素子より得られる映像信号の高域周波数成分
   の振幅を検出し、前記検出結果によって前記映像信号も
   しくは前記高域周波数成分を利得制御することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の自動焦点整合装置。 （→　映像信号の振幅の最大値を検出することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の自動焦点整合装置。 （４映像信号の振幅の水平方向または垂直方向の変化の
   差分を検出する事を特徴とする特許請求の２へ・− 範囲第１項記載の自動焦点整合装置。