JPH0281579A - 自動焦点調節装置 - 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、焦点変調信号より得た合焦状態に関する情報
にもとづいて焦点を調節する自動焦点調節装置に関する
ものである。

（背景の技術） 近年、ビデオカメラ等を始めとする映像機器の発展に伴
い、自動焦点調節（ＡＦ）装置、ズームレンズ等が標準
的に装備されるようになっている。

一方、この種の装置で用いられる自動焦点調節装置とし
ては種々の方法があるが、光路変調を行い、変調された
映像信号の高周波成分すなわち焦点変調信号に基づいて
焦点面の合焦位置を検出する方法（変調法）が多く用い
られている。この方法によると、非合焦量すなわちボケ
量及びボケの方向（前ビン、後ビン）を検出することが
でき、きわめて有効である。

第７図はズーミング機構を備えたレンズシステムの概念
図であり、同図において１０１は被写体、１０２は焦点
調節を行なうフォーカシングレンズ（Ｆレンズ）、１０
３は焦点距離を変化させてズーミングを行なうズーミン
グレンズ（Ｖレンズ）、１０４はズーミングレンズ１０
３の移動によって発生する焦点面のズレを補正する補正
レンズ（Ｃレンズ）、１０５は絞り、１０６は撮像面に
正しく被写体像を結像させるためのリレーレンズ（ＲＲ
レンズ）、１１２ａは光学情報を電気信号に変換する撮
像素子１１２の撮像面である。ここでレンズ１０２〜１
０４は、全て光軸と平行に移動する。

−ＩＩＱに変調法では、光路変調を行うため、前記１０
２〜１０６のレンズのうち、１つまたは数個のレンズか
、撮像面１１２ａを含む撮像素子１１２を光軸と平行に
振動させて、その振動周波数で変調された映像信号を得
る。そして撮像素子１１２以降に設けられている自動焦
点検出回路（ＡＦ回路）で、前記変調振動の周波数に同
期して映像信号の高周波成分が取り出される６映像信号
の高周波成分は合焦点に近付くほど増加するので、ＡＦ
回路では、高周波成分の増加する振動の向きに結像面が
あると判断してフォーカシングに寄与する素子（第７図
ではＦレンズ）を合焦点に対して適切な向きに移動させ
、焦点の自動調節を行なう。

ところで、第７図のようにズーミング機能を備＾たレン
ズシステムに変調法を導入すると、基本的にフォーカシ
ング用、ズーミング用、そして変調用の３つのアクチュ
エータが必要となる。これに対し、赤外線を照射し、そ
の反射光から合焦状態を検出するアクティブＡＰ方式や
ＴＴＬ２次結像方式のＡＦ装置では、変調用アクチュエ
ータが不要であり、変調法ＡＰ装置に於いては、アクチ
ュエータが増加する分、コストや実装スペースの面で不
利である。

この欠点を補う手段として、フォーカシングな行なう素
子（第７図ではＦレンズ）にフォーカシングと焦点変調
の両方の機能を持たせ、それらのアクチュエータを兼用
することが提案されている。この兼用アクチュエータに
ついてはいくつかの駆動手段が考＾られるが、安定した
駆動性や、駆動中または駆動後の位置検出手段の容易さ
を考慮するとパルスモークのようなステップ駆動を行な
うアクチュエータが適していると考えられる。

（発明の解決しようとする問題点） しかしながら、パルスモータ等のステップ駆動を行なう
アクチュエータでは、その電源の電圧や負荷の大きさか
ら、脱調せずに駆動可能な単位時間当たりの駆動パルス
数に制限がある。

また変調法では、焦点面の変化に応じた焦点信号の変化
量によって合焦状態を検出するため、被写界深度や焦点
のボケが大きくなると、レンズ等の移動量に対する焦点
信号の変化量が小さくなるため、被写界深度や焦点のボ
ケが大きくなるにしたがって振動の振幅を大きくして感
度の低下を補償する必要がある。しかしながら、振動の
周期を一定に保ちながら振幅を大きくしようとすると、
単位時間当たりの駆動パルス数を増加させなくてはなら
ない、この所望パルス数がパルスモータの許容駆動範囲
内であれば、何ら問題は生じないが、許容駆動範囲を越
＾てパルスモータを駆動させようとすると、十分な変調
が得られなかったり、脱調による位置検出の誤りが生じ
るという欠点がある。また、逆に許容駆動範囲内で変調
の振幅を保ちながら駆動させるとＡＰの合焦に至るまで
の速度が遅くなり、結果としてＡＦ性能が低下するとい
う問題点があった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上述の問題点を解決することを目的としてな
されたもので、その特徴とするところは、光学系により
結像面に結像された被写体像を光電変換して撮像信号を
出力する撮像手段と、光学的な変調を行うことによって
前記撮像信号より合焦状態に応じた焦点変調信号を得る
焦点変調手段と、前記結像面の位置を可変する焦点調節
手段と、前記焦点変調手段を駆動するとともに前記焦点
変調信号にもとづいて前記焦点調節手段を駆動する駆動
手段と、前記駆動手段の駆動状態に応じて前記焦点変調
手段を制御する制御手段とを備＾た自動焦点調節装置で
あり、具体的には、焦点調節用のアクチュエータ（たと
＾ばパルスモータ等）の所望駆動パルス数が許容駆動範
囲を越えるような場合でも、自動焦点調節の合焦速度の
低下、変調振幅の減少やパルスモータの脱調を招くこと
なく、１つのアクチュエータでフォーカシングと変調の
機能を兼用することを可能とするものである。

（実施例） 以下、本発明における自動焦点調節装置な各図を参照し
ながら、その実施例について詳述する。

第１図は、本発明の自動焦点調節装置の特徴を最もよく
表わすブロック図であって、本実施例では本発明をビデ
オカメラまたはカメラ一体型ビデオテープレコーダに適
用した場合について説明する。前述の第７図と同様の機
能を有する素子には同じ番号を付しである。

第１図に於いて１０７はＦレンズ（フォーカシングレン
ズ）を駆動させるためのアクチュエータとしてのパルス
モータ、１０８は■レンズ（ズーミングレンズ）を駆動
させるアクチュエータ、１０９は絞りを駆動させるアク
チュエータ、１１０はズーミングレンズ群の位置を検出
するエンコーダ、１１１は絞りの状態を検出するエンコ
ーダ、１１３は撮像素子１１２から出力された搬像信号
を増幅する増幅回路、１１４は映像信号の高周波成分を
取り出すフィルタリング回路で通常はバイパスフィルタ
、１１５はバイパスフィルタ１１４より出力されたフォ
ーカシングレンズの振動周期で変調された高周波成分す
なわち合焦度に応じた焦点信号の出力信号よりフォーカ
シングレンズの振動周期の変調成分を取り出す処理、こ
の焦点変調成分をＡ／Ｄ変換する処理等の所定の信号処
理を行って、制御用のマイクロコンピュータに供給する
ためのＡＦ信号処理回路、１１６はレンズの振動すなわ
ち焦点変調の周期に同期して信号処理回路１１５の出力
信号及び各エンコーダからの出力信号を取り込み、前ビ
ンか、後ビンかの判断とボケ具合の認識を行ない、その
状態に応じてフォーカシングレンズ駆動用のパルスモー
タの駆動状態を制御する機能を有するマイクロコンピュ
ータ、１１７はズーミングスイッチ１１８のＯＮ１０　
Ｆ　Ｆによって指示されるズームの駆動命令をマイコン
に伝達するズーミングスイッチ回路である。

また、第２図は制御用マイクロコンピュータ１１６の内
部に於ける信号処理動作を概念的に表わしたブロック図
で、２０１．２０２，２０３はそれぞれ、ＡＦ信号処理
回″！１ｉｌ１５．絞りエンコーダ１１１．ズームエン
コーダ１１０の出力信号、２０４はボケ量を検出するボ
ケ量検出ブロック、２０５は焦点変調信号すなわちレン
ズの振動の振幅の中心の移動速度及び振動の振幅中心の
光軸方向における移動方向を決定するための速度制御ブ
ロックである０本実施例では、フォーカシングレンズの
変調のための振動と、合焦点へのフォーカシングのため
の移動を同じパルスモータで行うので、ここで言う振幅
の中心の移動速度及び方向とは、フォーカシングのため
のレンズの移動方向及び速度をさしている。２０６は変
調すなわちレンズの振動振幅を決定する振幅制御ブロッ
ク、２０７はパルスモークの駆動パターンを演算するた
めの演算処理ブロック、２０８は演算処理ブロック２０
７の結果に基づいて、パルスモータの駆動を制御する為
のモータ制御ブロック、２０９はパルスモータを駆動さ
せたときのパルス数の加減算を行なって、パルスモータ
の位置や駆動状況の把握を行なうためのカウンタを含む
検出ブロック２１０はパルスモータの駆動命令出力でフ
ォーカシングレンズ駆動用のアクチュエータ１０７へと
供給されている。

被写体１０１の像は、１０２〜１０６の光学系を通過し
て撮像素子１１２の盪像面１１２ａに投影される。撮像
素子の盪像面１１２ａ結像された被写体像は、映像信号
に光電変換され、増幅器１１３で増幅された後、フィル
タリング回路１１４でＡＦに必要な高周波成分の抽出が
行なわれる。なお、この高周波成分信号は、アクチュエ
ータ１０７による振動周波数で変調されており、その変
調周波数成分を含んでいる。

ＡＦ信号処理回路１１５ではフィルタリング回路１１４
の出力をマイクロコンピュータ１１６が安定して取り込
めるよう、上述したような信号処理を行なう、ＡＦ信号
処理回路１１５の出力信号２０１は制御用マイクロコン
ピュータ１１６内のボケ量検出ブロック２０４に人力さ
れる。ボケ量検出ブロック２０４には、モータ制御ブロ
ック２０８からサンプリングのタイミングが伝送されて
おり、例えば変調のためのレンズの振動の振幅が最大と
なる頂点の２点に於けるそれぞれの映像信号の高周波成
分など変調法によるＡＦに適したタイミングでサンプリ
ングが行な久る。ボケ量検出ブロック２０４では変調振
動一周期分のサンプリング結果を保持しており、これを
速度制御ブロック２０５、振幅制御ブロック２０６の信
号処理に用いる。速度制御ブロック２０５では、前記映
像信号の高周波成分の絶対量やサンプリング値の差分等
からボケ具合を判断し、大ボケならば速く、小ボケなら
ばゆっくりと振動の中心が移動する様、振動の中心の移
動速さと向きの決定を行なう、また振幅制御ブロック２
０６では、絞りエンコーダ１１１、ズームエンコーダ１
１０の出力信号２０２．２０３から得られる絞り値と焦
点距離の情報、それにボケ量検出ブロック２０４からの
サンプリングデータな合わせて、被写界深度とボケ具合
から変調の振幅決定を行なう、そして演算処理ブロック
２０７で振動の中心の移動速度と方向、それに変調振幅
の情報を総合して、何パルス至近側へ行って何パルス無
限側へ戻るのが最適なのかの計算を行なう、この結果得
られた駆動パターンをモータ制御ブロック２０８に伝送
し、モータ制御ブロック２０８ではこのパターンに従っ
てモータ制御ブロック内のドライブ回路に駆動命令を出
力する。そして駆動状態は常にカウンタを含む検出ブロ
ック２０９で把握されており、このカウンタ出力を基に
モータ制御ブロック２０８では移動方向の反転やレンズ
位置制御を行なう事が出来る。ここで演算処理ブロック
２０７に於けるパルスモータ駆動パターンの計算方法に
ついて、更に詳しく述べる。

第３図はアクチュエータとしてのパルスモータ１０７が
Ｆレンズ１０２に対して変調振動を行ないながらその振
動の中心を光軸方向合焦点へと移動させる為の振動パタ
ーンを説明する図で横軸に時間ｔを取っている、３０１
はＦレンズの振動の中心の軌跡、３０２はパルスモータ
で３０１に沿って単調に移動する時のレンズの軌跡、３
０３は垂直同期信号を表わす、このＦレンズの振動は垂
直同期信号またはその整数倍の周期に同期して行われる
。３０４はパルスモータでレンズに焦点変調のための変
調信号振幅のみを加える時の振動パターン、３０５は３
０４に示される変調振動を行ないながら振動の中心を３
０１に沿って移動させる場合の駆動パターンである。

焦点変調のための変調振動を行ないながら振動の中心を
移動させるという事は、３０２と３０４を重畳させた駆
動パターンで駆動すると考えることが出来る。

第３図では、３０２の変化が１ｖに１ステツプ、３０４
の変化が、１■で４ステツプ移動した後、次の１ｖで静
止して映像信号の取り込み３ｖ目で４ステップ逆戻りし
、４■目に静止して反対側ピークの映像信号取り込みを
行なう如く制御される。第３図の様に、３０２の増加が
単調で、３０４の変化が１■毎に移動と停止を等しい振
幅で繰り返す時、図面上方及び、下方への単位垂直同期
期間移動量はそれぞれ、（上方） 単位Ｖ当たり移動量（Ｄｕ）　＝変調振幅（Ｍ）＋（Ｎ
ｖ当たり（７）　３０２（７）変位（ΔＣ）１＋１）・
・・・・・・・・・・・■ （下方） 単位Ｖ当たり移動量（Ｄｄ）　＝変調振幅ｆＭ）−（Ｉ
ＩＶ当タリノ３０２）変位（Δｃ）１＋１）・・・・・
・・・・・・・■ で表わされる。第３図ではＭ＝４ステップ、△Ｃ＝１な
ので、 Ｄｕ＝６ Ｄｄ＝２ となる、この駆動パターンが３０５であり、３０４の振
動周期を保ちながら、３０１を振動の中心として２ステ
ップ振幅で振動している。

ここで、第３図の重畳方法についてさらに説明すると、
３０４の単位Ｖ当りの駆動ステップ数が４なのに対し、
３０５では最大６になる。

変調の振幅が大きくなればなるほど、３０５に於ける１
■当りの駆動ステップ数は大きくなるので、パルスモー
タの許容駆動速度が、このｌ■当たり６ステツプの速度
に対応可能であればよいが、駆動速度に限界がある場合
脱調して正しい制御を行なうことが出来なくなる。

第４図は、この様な欠点を除去した方法を示す駆動パタ
ーン図であり、第３図と同等の意味を持つグラフには、
同じ番号を付しである。第４図において、４０１はパル
スモータの許容最大駆動スピードを考慮して、３０２と
３０４を合成した駆動パターンである。パルスモータの
許容最大駆動速度を考慮し、かつ変調信号の振幅を変化
させぬため、合成後の駆動パターンに於いて、変調の周
期を変更して大きくとることによって、パルスモータ１
０７の駆動速度の脱調を防止することができる。映像信
号の取り込み期間を第３図と同様に１ｖとすると、パル
スモークのＩＶ期間当りの駆動ステップ数Ｄｕ及びＤｄ
、変調振動振幅Ｍ、３０１に沿いながら３０４の振幅で
変調をかける為に必要な垂直同期期間数Ｎと、１■当り
の３０２の変位置△Ｃの関係はそれぞれ、 Ｄｕ＝Ｍ／Ｎ＋（ＮΔｃ　＋　１　）　　／　Ｎ　−−
■Ｄｄ＝Ｍ／Ｎ−（ＮΔＧ＋１）／Ｎ・・・・・・■な
る。第４図の例では、Ｍ＝４．△Ｃ＝１であり、またパ
ルスモータの駆動能力を考慮して、たとえばＤｕ＝Ｄｄ
＝２とすると、 Ｎ＝５（図面上向き時） Ｎ＝１　（図面下向き時） という結果が得られる。即ち、毎ｖ２ステップのスピー
ドで、ＩＯＶ上向きに進み、ｌｖ間画像を取り込んで、
次々に毎ｖ２ステップのスピードで、ＩＶ下向きに進ん
で、ＩＶ間両画像取り込むという駆動パターンを作れば
４０１に示される様に、３０１を中心に振幅２の振動を
行いながら、パルスモータの脱調なしに、移動する事が
、可能となる。３０１の傾きが逆になっても、Ｄｕ及び
Ｄｄの計算方法は変わらない。

また、マイクロコンピュータ１１６の記憶容量に余裕が
あれば、演算処理ブロック２０７で計算することなしに
、変調の振幅と３０１の傾き、パルスモータの特性に合
わせているいろなりｕとＤｄを記憶させてデータ変換用
のテーブルを作成しておき、状態に合わせて、駆動パタ
ーンを選択する事が出来る。

第５図は、本発明の第２の実施例を示す構成図であり、
第１図と同等の機能を有する素子には同じ番号を付しで
ある。第５図に於て５０１はＶレンズ１０３を駆動する
アクチェエーク。

５０２はＣレンズを駆動するパルスモータ、５０３はＶ
レンズ１０３の位置を検出する為のエンコーダ、５０４
は第５図に示されるレンズシステムに対して１１６と同
様の制御を行う為のマイクロコンピュータである。

第５図によって示されるレンズシステムでは、Ｆレンズ
１０２が固定されており、ズーミング時に■レンズ１０
３が移動すると、その焦点面の変化を補正する為に、Ｃ
レンズ１０４も移動する。ズーミングを行わない通常の
ＡＦでは、第１図に於けるＦレンズ１０２と同様な動き
をＣレンズ１０４が行っている。■レンズ１０３の動き
に対する、Ｃシン１１０４位置の変位は、およそ第８図
に示すような関係となっており、被写体距離をバラ−メ
ークとしてＣレンズの軌跡は著しく変化する。このよう
なズーミング中のＣレンズの複雑な動きに対応する為、
第８図の領域を第９図のように複数エリアに分割し、各
エリア毎に代表速度を与＾るという方法を取ることがで
きる。この方法によれば、■レンズとＣレンズの位置に
よって決定される１つのエリアＩ−Ｖ［に対応した速度
■１〜ｖ６を選択し、ズーミング中Ｃレンズを動かす事
によって、第８図の軌跡に沿った駆動を得ようとするも
のである。そしてこの第２の実施例は、第９図に示され
るデータ記憶テーブルを参照することによって、Ｃレン
ズを動かしながらズームを行う時、変調法によってＣレ
ンズの動きに微調整を加λようとするものである。

第６図は、制御用マイクロコンピュータ５０４の中の処
理の流れを示したもので、第２図と同様の機能を有する
ものには同じ番号を付しである。第６図に於て、６０１
はＶレンズ１０３の位置検出用エンコーダ５０３の出力
信号を伝送する伝送系、６０２はエンコーダ５０３によ
って得られたＶレンズ位置と検出ブロック２゜９からの
Ｃレンズ位置によって、第９図のエリア■〜Ｖ＋を特定
する為のエリア設定ブロック、６０３は、エリア設定ブ
ロック６０２によって決定されたエリア情報をもとに、
Ｃレンズ１゜４の駆動の向きと速さを記憶テーブル６０
４から拾い出す為の速度制御ブロックである。第９図の
記憶テーブルにおける分割方法によれば、各エリア１〜
■のうち１つのエリア内では、変調をかけないＣレンズ
の動きは、等速度運動であるから、第４図と同様の駆動
パターン合成が可能となる。そして演算処理ブロック２
０７に於て、各エリア毎に駆動パターンを計算し、ズー
ミング中にもパルスモータの駆動に、振幅制御ブロック
２０６から微調整を加＾れば、より良好なズーミング及
び高感度の合焦検出を行う事が出来る。

（発明の効果） 以上説明したように、焦点変調信号により合焦検出を行
ういわゆる変調法を用いた自動焦点調節装置によれば、
焦点変調を行うべくレンズまたは搬像素子等を振動させ
る動作とフォーカシングのためのレンズ移動を１つのア
クチュエータで行うとともに、アクチュエータの駆動速
度に制限を与え、該アクチュエータが駆動能力限界の速
度なったときは、焦点変調周期すなわち振動周期を変更
する等の制御を行うことによって、アクチュエータの駆
動速度が前記制限速度を越えることのないよう、且つ焦
点変調の振幅を一定に保つような駆動パターンで前記ア
クチュエータを駆動するように構成したので、アクチュ
エータが駆動能力を越えて税調等の誤動作を生じること
なく、種々の条件に対応可能な自動焦点調節装置を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における自動焦点調節装置の一実施例を
示すブロック図、 第２図は第１図中、制御用マイクロコンピュータ内の構
成を示す制御ブロック図第１図は本発明における自動焦
点調節装置の一実施例を示すブロック図、 第３図はアクチュエータとしてのパルスモータの標準的
な振動及び駆動パターンを説明するための図、 第４図は本発明におけるアクチュエータとしてのパルス
モータの焦点変調用の振動及び焦点調節用駆動パターン
にもとづく制御動作を説明する図、 第５図は本発明における自動焦点調節装置の他の実施例
を示すブロック図、 第６図は第５図中、制御用マイクロコンビューク内の構
成を示す制御ブロック図、 第７図はズーミング機能を備えたレンズシステムの一例
を示す図、 第８図はＦレンズとＣレンズとの相関関係を説明するた
めの特性図、 第９図はレンズ位置に応じてアクチュエータの移動速度
を与えるためのデータ記憶テーブルの一例を示す図であ
る。 特許出願人　　　キャノン株式会社 ジ １ｏ／ め ７Ｌ￥］

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学系により結像面に結像された被写体像を光電変換し
   て撮像信号を出力する撮像手段と、光学的な変調を行う
   ことによつて前記撮像信号より合焦状態に応じた焦点変
   調信号を得る焦点変調手段と、前記結像面の位置を可変
   する焦点調節手段と、前記焦点変調手段を駆動するとと
   もに前記焦点変調信号にもとづいて前記焦点調節手段を
   駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動状態に応じて
   前記焦点変調手段を制御する制御手段とを備えたことを
   特徴とする自動焦点調節装置。