JPH02210977A - 自動焦点合わせ装置 - 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】 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。

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
後へリコイドと表わす）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２１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、以下この方式を第１図、第２図を
用いて簡単に説明する。

第１図は山登り方式による自動焦点合わせ装置（以後Ａ
Ｆ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はバイパスフィルタ、５は検波器、６は差分ホ
ールド回路、７はモータ那動回路、８はレンズシステム
１のへリコイドを回転するためのモータである。

以下第１図の構成の動作を第２図の特性図を用いて説明
する。

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
けがバイパスフィルタ４で抽出され、検波器５で検波さ
れた後、端子５１にあられれる。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、第２図に示すように端子５１
にあられれる焦点電圧は、レンズシステム１のへリコイ
ド位ＭＣＡ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のへリコイド位置が上
記位置Ａからずれるに従がって低下する。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は第２図に示すように端子５１にあ
られ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、モータ關動回路７は端子６
１にあられれる差分ホールド回Ｎ６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。

第２図に示される差分ホールド回路６の出力電圧はへリ
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
、へり戸、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。

このようにすれば、モータ８のへ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。

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。

さて、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。

第１の欠点は、レンズシステムｌ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１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ｌ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、は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。

第２の欠点は、上記した第１の欠点はど致命的ではない
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、ポータプ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。

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。

従来の山のぼり方式による自動焦点合わせ装置の欠点は
、常にヘリコイドを制御していることにある。従って被
写界深度が大きく、ヘリコイドがどの位置にあっても事
実上被写体に合焦してしまうような場合は山の形が非常
にブロードとなり大きなヘリコイドの振動をまねている
。

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
バーしつるヘリコイドの停止位置（以後これをバーケン
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、−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ｆｉ！（バーケンポイン
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。

以下第３図、第４図を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。

第３図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。

１．２，８，９，５１，６１はそれぞれ第１図を用いて
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の絞り値の情報、レ
ンズシステム１のへ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はバーケン
ポイント計算回路、１６はバーケンポイントメモリ、１
７，１９゜２１．２３は比較回路、１８は停止バーケン
ポイントメモリ、２０はバーケンポイント数メモリ、２
２は焦点電圧メモリ、２４．２５は和回路、２６はカウ
ンタ、２７は第１へリコイド位置メモリ。

２８は第２へ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
おモータ制動回路３０はＣ側の入力線に信号が加われば
第１図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。

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

バ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Ｑと表わす
）までをカバーしつ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（１）式により計算できる。

Ｒ１＝１ミー１− ｐＦ　　（２ｉ−１）　　但し、ｉは正の整数・・・（
１）式ここにＲｉは無限遠ψ側から数えてｉ番目のバー
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。

また、必要とされるバ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Ｒａ１ｎとすると、Ｎ番目のバー
ケンポイントがＲｌｉｎと等しいか又は小さくなるべき
だから下記（２）式により計算できる。

ｌｆ”Ｉ Ｎ≧−・−・−１−・・・・・・・・・（２）式２式％ たとえば、レンズ１として焦点距１１ｆ＝５０■、絞り
値Ｆ＝１．８、至近距１１１Ｒｍｉｎ＝１ｍを用い、許
容錯乱円の直径をρ＝４０μｍとしたとき、（２）式よ
りバーケンポイント数Ｎは１８で、かつ（１）式より各
バーケンポイントの位置ＲｉはＲ□＝３４．７２ｍ、　
Ｒ，：＝１１．５７ｍ、　Ｒ，＝６．９４ｍ、・・−・
−Ｒ，、＝０゜９９ｍ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バーケ
ンポイント位置〜Ｒ０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。以上がバーケンポ
イントの説明である。

本発明では、従来の山のぼり方式が最適なバーケンポイ
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。

レンズシステムｌ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、共にバーケンポイント計算回路
１５に入力される。バーケンポイント計算回路１５は前
述の（１）式、（２）式にもとすいてバーケンポイント
数Ｎとバーケンポイント位置Ｒ１〜ＲＮを計算し、バー
ケンポイント数をバーケンポイント数メモリ２ｏに格納
し、各バーケンポイント位置をバーケンポイントメモリ
１６に格納する。

以下第３図の構成の動作を次の３段階に分けて説明する
。

（第１段階）レンズシステム１のへリコイドが停止すべ
きバーケンポイント位置を求める。

（第２段階）第１段階で求めたバーケンポイント位置へ
とへリコイドを制御し、停止する。

（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。

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。

（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（１）式、（２）式によりバーケンポイ
ント数と各バーケンポイント位置を計算し、記憶する。

（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、次いで最適なバーケンポ
イント位置を求める。

第１．１段階において、レンズ１の焦点距＠ｆの情報と
絞り値Ｆの情報はそれぞれＡ／Ｄ変換器１１．１２でデ
ィジタル値に変換され、バーケンポイント計算回路１５
に入力される。バーケンポイント計算回路１５は前記（
１）式、（２）式によりバーケンポイント数Ｎと各バー
ケンポイント位置Ｒ１〜Ｒｎを計算し、それぞれバーケ
ンポイント数メモリ２ｏ、及びバーケンポイントメモリ
１６に記憶する。

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、第１図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。

この動作を第４図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ｈい新し
いヘリコイドの位置がり、である。

この状態はたとえば位置ｈ工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が第４図（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、−見合焦点位置ｈ
２に達し、位Ｍｈ２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り、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
一度位置り、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り
、とり、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、第
３図の構成では端子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回目の逆転時のへリ
コイド位置ｈ３の情報を第１へリコイド位置メモリ２７
に、第２回目の逆転時のへリコイド位置ｈ４の情報を第
２へ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２５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。

また、山のぼり動作の開始時にモータ８が第４図（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ｈ１から位置
り６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、第
４図（ｃ）の場合も、第４図（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。

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、バーケンポイントメモリ１６の
内容は、順次比較回Ｉ４１７に入力されて、第１へリコ
イド位置メモリ２７．および第２へ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バーケンポイントメモリ１６の内
容が停止バーケンポイントメモリ１８に記憶される。

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のへ
リコイド位置を制御し、入力する停止バーケンポイント
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のへリコイド位置の情報を一致させ１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。この時、バーケ
ンポイント数メモリ２０、焦点電圧メモリ２２に格納さ
れた情報は比較回路１９の出力信号により消去される。

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。

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に入力されるバーケンポイント数
メモリ２０の内容と、バーケンポイント計算回路１５か
ら入力する新しいバ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２
４，２５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。

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。

上記いずれの場合も、モータ８が回転した後はへリコイ
ド位置の初期値が第４図を用いて説明したように位置ｈ
工ではなく、別の値であることを除けば第４図を用いて
説明したと同様の過程を経て新しい合焦点に達し得る。

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ωとなった場合の説明をしなかっ
たが、この場合には−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。

以上第３図および第４図を用いて詳細に説明したように
１本発明による自動焦点合わせ装置を用いれば、合焦後
はレンズの絞り値、焦点距離の変化や被写体の移動、カ
メラの移動など再び合焦動作を行なう必要が生じるまで
はへ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ベ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。

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。

なお、本発明の詳細な説明では、バ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、各バーケンポイントの位置もそのバーケンポイント
数と対応するよう選定したが、本発明に用いるバーケン
ポイント数は上記最小の数似上であればいかなる数でも
良く、この場合のバーケンポイント位置は各隣接するバ
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。

また、第３図のバーケンポイント計算回路１５により計
算されるバ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バーケ
ンポイントへと移動して良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は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、第２図は第１図の構成の動作を説明するため
の波形図、第３図は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、第４図は第３図の構成の動
作を説明するための波形図である。 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）、１１〜１４：】Ａ／Ｄ変換器、
１５：バーケンポイント計算回路、１６：ハーケンポイ
ントメモリ、１７：比較回路。 １８：停止バーケンポイントメモリ、１９：比較回路、
２０：ハーケンポイント数メモリ、２１：比較回路、２
２：焦点電圧メモリ（記憶手段）、２３：比較回路、２
４，２５：和回路、２６：カウンタ（合焦状態検出手段
）、２７：第１へリコイド位置メモリ、２８：第２へリ
コイド位置メモリ、２９：平均回路、３０：モータ駆動
回路、３１：電子スイッチ（スイッチ手段）。 ３２：判定回路、８：モータ 第　１　図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光情報を電気信号に変換する光電変換手段（２）と
   、被写体から供給された上記光情報を上記光電変換手段
   上に結像するレンズシステム（１）と、上記光電変換手
   段によって得られた電気信号に含まれる高域周波数成分
   を抽出し、上記レンズシステムの焦点度合に対応した焦
   点電圧を発生する焦点電圧検出手段（９）とからなる制
   御信号発生手段と、 上記レンズシステムの位置を光軸方向に移動するモータ
   （８）と、 上記焦点電圧検出手段の焦点電圧により、上記モータの
   回転を制御する駆動信号を発生し、焦点電圧が最大とな
   る方向へ上記レンズシステムを移動させるモータ駆動回
   路（７）と、 からなる自動焦点装置において、 焦点電圧が最大値付近に達したことを検出する合焦状態
   検出手段（２６）と、 焦点電圧が最大値付近に達した際に、上記合焦状態検出
   手段の出力信号によって開き、上記制御信号信号発生手
   段から上記モータ駆動回路（７）へ供給される駆動信号
   を遮断して、上記モータの回転を停止して上記レンズシ
   ステムの移動を停止するスイッチ手段（３１）と、 上記モータの回転が停止される際に、上記制御信号発生
   手段が発生する電気信号を記憶する記憶回路（２０、２
   ２）と、 上記モータの回転が停止された後において上記制御信号
   発生手段が発生する電気信号と、上記記憶回路に記憶さ
   れた電気信号とを比較し、両差の差が予め定められた値
   を越えた際に、上記スイッチ手段を閉じる出力信号を発
   生して上記スイッチ手段に供給する比較回路（２１、２
   ３）とを備えていることを特徴とするビデオカメラ等の
   自動焦点合わせ装置。