JPH0353676A - 焦点検出装置 - 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］ 本発明は焦点検出装置、詳しくは被写体光が照射された
撮像素子から出力される映像信号中の特定周波数成分を
抽出して合焦点を検出する焦点検出装置に関する。

［従来の技術］ 従来、撮像系の一部を駆動し、撮像素子の映像信号中か
ら特定周波数成分を抜き出して合焦点を検出する焦点検
出装置が、例えば、ＮＨＫ技報第１７巻第１号に石田他
により発表された“山登りサーボ方式によるテレビカメ
ラの自動焦点調整”に開示されている。この“山登りサ
ーボ方式によるテレビカメラの自動焦点調整″は、映像
信号中の高城成分によって画面の精細度を検出し、精細
度が最大になるように山登り制御を行なって、自動的に
テレビカメラの光学焦点調整を行なう装置の原理と回路
設計条件を述べたものである。そして、二次元面被写体
に対する実験回路の応答測定およびアナログ計算機によ
るシミュレーション実験によって山登りサーボ方式によ
る焦点合わせの精度を左右するのは、レンズ絞りや焦点
距離によって変化する山登り曲線の形であり、制御系の
利得を大にし、時間遅れ要素の時定数を小とすることに
よって精度が上がり、制御系の検波およびホールド回路
の時定数をそれぞれ０．Ｏｌ秒に選べば、山登り曲線の
高さと勾配のおのおのの４倍の変化に対して、焦点合わ
せの精度５％を得ることができることが開示されている
。更に山登り曲線の形を検出して制御系の利得を制御す
る適応制御とすれば、制御範囲の拡大と精度の向上をは
かることが可能であることも開示されている。

しかしながら、映像信号中から特定周波数成分のパワー
を評価して合焦点を検出する上記“山登りサーボ方式に
よるテレビカメラの自動焦点：Ａ整”では、被写体のパ
ターンによって全く合焦点が検出できない場合がある。

例えば、現行のＮ　Ｔ　Ｓ　，Ｃ方式によるカラー映像
信号の記録方式では、水平方向に信号を読出しているの
で、横縞模様の被写体に合焦させようとすると、被写体
のコンラストに対し照度分布が不明瞭になりコントラス
トも悪くなるので合焦精度が悪くなる。そこで、この解
決案として、水平ラインを複数のディレイラインに蓄積
して隣接する垂直画素を比較評価したり、全信号を一度
メモリに蓄積してディジタル処理したりすることにより
、被写体パターンに左右されずに合焦検出を行なう手段
が特開昭５３−９７８２６号公報に開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、水平ラインを複数のディレイラインに蓄
積して隣接する垂直画素を比較評価したり、全信号を一
度メモリに蓄積してディジタル処理したりすることによ
り、被写体パターンに左右されずに合焦検出を行なうよ
うにした上記特開昭５３−９７８２６号公報記載の提案
では、複数のディレイラインあるいは専用のメモリ等を
必要とするから、高価になるとともに、処理回路も複雑
になるなど不都合な点が多かった。

そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解消し、撮像
素子の映像信号中から特定周波数成分を抜き出して合焦
点を検出する際に、低価格で簡単な構成の処理回路によ
り被写体のパータンに左右されずに合焦点検出を可能に
する焦点検出装置を提供するにある。

［課題を解決するための手段および作用］本発明の焦点
検出装置は、被写体像を結像する結像光学系と、この結
像光学系による像を光電変換し、映像信号を出力する撮
像素子と、上記映像信号のうち、垂直・水平にある角度
を有する映像信号のみを抽出する映像信号抽出手段と、
上記抽出された映像信号の特定周波数成分レベルに基づ
いて、上記結像光学系の焦点状態を検出する検出手段と
、を具備したことを特徴とするものである。

［実　施　例〕 以下、図示の実施例により本発明を説明する。

先ず、本発明の実施例を説明するに先立って、本発明の
基本原理を第２図〜第４図により説明する。

一般に、光学系による被写体の光学像は、焦点の正合，
不正合によってその鮮明度が変化し、正合状態で鮮明度
が高いときは被写体のコントラストに応じて明確な照度
分布を示すが、不正合状態で所謂ボケた状態で鮮明度が
低いときは、被写体のコントラストに対し照度分布は不
明瞭になりコントラストも悪くなる。そこで、ファイン
ダ画面の略中央に設定されるフォーカスエリアを走査し
、光電変換して得られた映像信号も鮮明度によって変化
し、鮮明度が高いときはそのレベルの変動が大きくしか
も急峻に変化するが、鮮明度が低くなるほど、そのレベ
ルの変動量が小さくなり、しかもその変化がゆるやかに
なる。

第２図（Ａ）は、フォーカスエリアを走査し、光電変換
して得られた映像信号の周波数特性を示す線図で、合焦
状態の場合は同図の実線ｇ１のように比較的高い周波数
成分までを含有しているのに比し焦点ボケの被写体像か
ら得られた映像信号は、同図の点線ｆＩ２で示すように
高い周波数成分が相対的に少なくなる。そこで、映像信
号中の特定周波数、通常は、高い周波数成分のパワーを
合焦レンズのデフォーカス位置に対してプロットすると
、第２図（Ｂ）に示すように正台状態で鮮明度が高い場
合は実線ｐ３のように比較的シャープな特性線図が得ら
れるが、鮮明度が低いと、点線ｇ４のようなブロードに
変化する線図となってしまう。つまり、出力レベルが最
大となるときあるいはレベル変動が最も急峻になるとき
を検出すれば焦点の自動調節ができることになる。

この場合、前記従来例で説明したように映像信号を水平
方向に読出しながら横縞模様の被写体に合焦させようと
すると、第２図（Ｂ）の点線ｆＩ４のような特定周波数
パワーの分布曲線で合焦点を求めることになるので合焦
精度が甘くなってしまう。

そこで、本発明では、第３図に示すようにフォーカスエ
リア中の各画素を千鳥状に、つまり水平・垂直方向にあ
る角度をもって走査し、これら各画素から得られた信号
を合焦点検出用信号としている。そして、この合焦点検
出用信号中の特定周波数成分を抽出して合焦評価値を得
るようにすれば、たとえ被写体像が横縞模様であっても
これに左右されずに合焦点検出を高精度に行なうことが
できる。一方、上記第３図で斜線を施こされていない画
素を水平に走査し、これら画素から出力された映像信号
を出力映像信号としている。

第４図は、本発明の焦点検出装置の基本原理を説明する
ブロック系統図である。図において、結像光学系１によ
り撮像素子２上に精像された被写体像は、撮像素子２で
映像信号に光電変換される。

そして、合焦点検出時においては、垂直，水平方向とあ
る角度を有する方向の画素から得られた信号のみを合焦
点検出用信号として、またその他の画素から得られる信
号を出力映像信号として、撮像素子２から出力される映
像信号がそれぞれ分岐される。

上記出力映像信号は、映像信号出力ブロック５に送られ
、映像信号出力ブロック５より外部システムへ出力され
る。一方、合焦点検出用信号は、合焦点検出ブロック３
に送られ、この合焦点検出ブロック３から合焦点評価信
号をコントロールブロック６へ出力する。このコントロ
ールブロック６は、モニタブロック４，合焦点検出ブロ
ック３．結像光学系１からの情報に基づいて、結像光学
系１，撮像素子２，合焦点検出ブロック３，モニタブロ
ック４，映像信号出力ブロック５をそれぞれ制御するよ
うになっている。

このようなシーケンスにおいて、撮像素子２から出力さ
れる映像信号を合焦点検出用信号と出力映像信号とに分
離することにより、合焦点検出中の外部システムへの映
像信号の影響が少なくなり、また、合焦点検出用信号が
上述のように垂直，水平にある角度を有する画素からの
信号なので、被写体のパターンに左右されることなく合
焦点検出が可能となる。

換言すれば、本発明の焦点検出装置は、フォーカスエリ
アをモニタ検出してフォーカスエリアの映像信号を特定
の方向性を持って抜き出し、この抜き出した信号の特定
周波数帯域のパワーを評価値として合焦点を検出するよ
うにしたものである。

次に、本発明の一実施例を示す焦点検出装置を説明する
。第５図は、上記一実施例のブロック系統図である。図
において、撮影レンズ１０１とレンズ駆動回路１０３が
上記第４図に示す結合光学系１を、ＣＣＤ１０２が撮像
素子２を、モニタ回路１０５がモニタブロック４を、信
号出力回路１０６が映像信号出力ブロック５を、焦点評
価回路１０４が合焦点検出ブロック３を、Ｃ　Ｐ　Ｕ　
１０７がコントロールブロック６を、それぞれ構成して
いる。このＣＰＵ１０７は、撮影レンズ１０１からの絞
り，被写体距離，レンズ焦点距離等の情報、焦点評価回
路１０４からの信号等に基づいて、レンズ駆動回路１０
３を介して撮影レンズ１０１を駆動するようになってい
る。

第６図は、モニタ回路１０５の構威を示すブロック系統
図である。図において、このモニタ回路１０５は、信号
増幅用のアンブ１５１と、ＣＰＵ１０７から出力される
タイミング信号でラッチするラッチ回路１５２とで構成
されている。

第７図は、焦点評価回路１０４の構或を示すブロック系
統図である。図において、焦点評価回路１０４は、バン
ドバスフィルタ（以下、Ｂ．　　Ｐ．Ｆと略記する）１
６１．検波回路１６２．積分回路１６３，Ａ／Ｄ変換回
路１６４で構成されるブロックを複数有するものである
。

第８図は、ＣＣＤ１０２の１ライン分の構成を示すブロ
ック系統図である。図において、ＣＣＤ１０２は、受光
素子１１４と信号転送用の信号ＣＣＤ１１５と、この信
号ＣＣＤ１１５の信号を転送するための転送クロックを
印加する電極（以下、転送電極と略記する）１１９と、
信号リセット用のリセットＣＣＤ１１３と、このリセッ
トＣＣＤ１１３の信号を転送するためのリセット転送ク
ロックを印加する電極（以下、リセット電極と略記する
）１１８と、信号ＣＣＤ１１５の信号を出力映像信号と
して水平方向に転送する映像信号ラインＣＣＤ１１６と
、合焦点検出用信号として水平方向に転送するＡＦ信号
ラインＣＣＤ１１７と、信号ＣＣＤ１１５の信号を映像
信号ラインＣＣＤ１１６とＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７
とに分岐するＡＦ切換クロックを印加する電極（以下、
切換電極と略記する）１２０と、リセットＣ　Ｃ　Ｄ　
１１３の信号をモニタライン１１１とリセットライン】
１２とにそれぞれ分岐するスイッチ１２１，１２２と、
このスイッチ１２１，１２２のオン●オフを制御するモ
ニタアドレス回路１２３と、映像信号ラインＣＣＤ１１
．６の信号をノイズカットして増幅する出力回路１２４
と、ＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７の信号をノイズカット
して増幅し出力する出力回路１２５と、ＡＦ切換クロッ
クを制御するＡＦアドレス回路１−２６とで構成されて
いる。

このように構成された本実施例の焦点検出装置では、被
写体光が撮影レンズ１０１（第５図参照）を介してＣＣ
ＤＩ○２の受光素子１１４上に結像されると、同素子１
１４で光電変換されて信号ＣＣＤ１１５上に転送される
。

焦点検出時以外は、信号ＣＣＤ１１５上に転送された信
号は、ＡＦアドレス回路１．２６の制御信号により出力
映像信号として映像信号ラインＣＣＤ１１６に転送され
る。更に、同Ｃ　Ｃ　Ｄ　１．　１　６上を水平方向に
転送され出力回路１２４を介して信号出力回路１０６（
第５図参叩）に出力される。

そして、同出力回路１０６で映像信号用に処理された後
、ＣＰＵ１０７　（第５図参照）から印加される制御信
号によって外部へ出力されるようになっている。

一方、焦点検出時には、信号ＣＣＤ１１５上に転送され
た映像信号中から特定の方向性を持って抽出した信号が
、ＡＦアドレス回路１２６の制御信号により、合焦点検
出用信号としてＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７に転送され
る。そして、更に同ＣＣＤＩ　１　７上を水平方向に転
送され、出力回路１２５を介して焦点評価回路１０４（
第５図参照）へ出力される。

焦点評価回路１０４では、人力された合焦点検出用信号
から特定周波数成分のみをＢ．　　Ｐ．　　Ｆ１６１（
第７図参照）で抜き出し、検波回路１６２で検波して積
分回路１６３で積分する。そして、Ａ／Ｄ変換回路１６
４でディジタル信号に変換し、ＣＰＵ１０７へ出力する
ようになっている。

ここで、ＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７に転送される合焦
点検出用信号について第１図（Ａ），（Ｂ）により説明
する。第１図（Ａ）は、受光素子１１４中の行番号，列
番号がそれぞれ ｉ−−ｍ，・・・・・・−１．　　１．，　　２．　　
３，・・・・・・ｍＪ””ｎｔ　・・・・・・−１．　
　１，　　２，　　３，・・・・・・ｎの画素で構成さ
れたエリア中の ｉ−１．　　２．　　３ ｊ−１．２，　　・・・・・・８， からなるフォーカスエリアにおいて、水平・垂直方向に
４５″の角度をもたせて千鳥状に走査する手段を示す線
図である。図１：おいて、受光素子１】４中のｉ−１の
行の各画素の信号が信号ＣＣＤ１１５にシフトされた後
、転送電極１１９上の転送クロックに応動して、第１図
（Ｂ）に示すように映像信号ラインＣ　Ｃ　Ｄ　１　１
．　６上に転送される。

すると、第１図（Ａ）で右上りの斜線によりハッチング
を施こされた ｃｉ．ｊ）−　（１．　　３），　　（１．７）の画素
上に蓄積された電荷のみが、切換電極１２０上のＡＦ切
換クロックに応動して映像信号ラインＣＣＤ１１６より
ＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７にシフトされ、残りの画素
に蓄積されていた電荷は、映像信号ラインＣＣＤ１１６
を水平方向に転送され、出力映像信号として信号出力回
路１０６に出力される。

同様にして、行番号ｉ−２では ｊ−２．４，６，８， また、行番号ｉ−３では ｊ−１．５． の各画素に蓄積された電荷のみがＡＦ信号ラインＣＣＤ
Ｉ１７にシフトされ、後述するある周波数で同ＣＣＤ１
１７上を転送されて出力回路１２５を介し、焦点評価回
路１０４へ合焦点検出用信号として出力されることにな
る。上記ＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７上で合焦点検出用
信号を転送する転送クロックパルスの周波数は、ＣＰＵ
１０７により合焦時の周波数を、非合焦時と同じか低く
設定するようにしている。次に、この理由を説明する。

即ち、非合焦時には撮影レンズを通った被写体像は高周
波威分より低周波成分の方が大きいが、合焦時には、高
周波戊分も大きくなる。そこで、合焦時の方が非合焦時
に比べ、高周波側の信号を用いて焦点状態の検出を行な
い易くなる。この場合、バンドパスフィルタをそれぞれ
の帯域にあわせて用意しても良いが、ＡＦ信号ラインＣ
ＣＤ１１７の転送クロックを非合焦時に比べて合焦時は
低い周波数とすれば、被写体像の高周波成分が低周波側
にシフトするので、同一のバンドバスフィルタで検出す
ることができる。

このようにして、 ｉ一一ｍ　ＳＪｍ の各行を ｊ請一ｎ〜ｎ に亘って全画素を走査し蓄積電荷を読出した後、まだＡ
Ｆ中ならば、受光素子１１４上のフォーカスエリア ｉ＝１．　　２．　　３ ｊ−１．２，　　・・・・・・．８ から合焦点検出用信号を抽出する画素を、例えば１画素
だけ右方向にシフトした右下がり斜線でノ＼ッチングさ
れた画素とする。即ち、 ｉ−１の行では ｊ−４．８， ｉ−２の行では ｊ−１．３，５，７， ｉ−３の行では ｊ浦２．６ の各画素に蓄積された電荷をＡＦ信号ラインＣＣＤ１１
７ヘシフトする。つまり、ＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７
ヘシフトする信号は１フレームごとに一画素ずつずらす
。即ち、合焦点検出中．の出力映像信号は合焦点検出用
信号を抽出した残りの信号で構成されるが、合焦点検出
用信号がフレーム毎に異なる画素からの信号なので、合
焦点検出中でも外部システムへ送出される出力映像信号
の質が劣化する虞は実用上なくなる。そして、ＡＦ終了
後は全ての画素に蓄積された信号を映像信号ラインＣＣ
Ｄ１１６へのみシフトし、ＡＦ信号ラインＣＣＤ１１７
へは全く出力しない。

また、ＣＣＤ１０２の受光素子１１４に照射される被写
体光の積分時間は、リセットＣＣＤ１１３とスッチ１２
１．１２２とモニタライン１１１を用いてモニタ回路１
０５へ信号を送りで決めるようになっている。

このＣＣＤ積分時間制御の過程を第９図のフロ−チャー
トにより説明する。

先ず、ステップＳ２０１でこのフローがスタートすると
、ステップＳ２０２に進んで１−０で受光素子１１４の
各画素に蓄積されていた電荷をリセットＣＣＤ１１３に
シフトすると共に、受光素子１１４への被写体光の照射
を開始（ｔ−０）Ｌ，、ステップＳ２０３に進む。この
ステップＳ２０３では、例えばＭＯＳ等で形成されたス
イッチ１２２をオンしてスイッチ１２１をオフ、つまり
リセツ｝ＣＯＤ１１３をリセットライン１１２に接続し
、ステップＳ２０４に進む。このステップＳ２０４では
、リセットＣＯＤ１１３上の信号電荷を全てリセットラ
イン１１２に高速転送し、ステップＳ２０５に進む。今
、図示しないＡＥセンサにより予め演算された時間をｔ
１とすると、このステップＳ２０５では、上記ステップ
Ｓ２０２における１−０から起算して上記時間ｔ１経過
後に、受光素子１１４の電荷をリセットＣＣＤ１１３に
シフトする。つまり、受光素子１１４への被写体光の照
射を、上記ステップＳ２０２におけるｔ　−０で開始し
、このステップＳ２０５における１−１，で終了し、こ
れにより積分時間ｔ１間の照射光量に対応した光電荷を
、受光素子１１４よりリセットＣＣＤｌｌ３にシフトし
、ステップＳ２０６，Ｓ２０７に進む。このステップＳ
２０６，Ｓ２０７では、上記ステップ５２０３．Ｓ２０
４と同じ処理を行なってステップＳ２０８に進む。

ステップ３２０８では、高速転送が終了したか否かを判
定し、終了していなければ、ステップＳ２０９に進んで
フォーカスエリアに対応する領域に達したか否かを判定
する。そしてフォーカスエリアに対応する領域に達すれ
ば、ステップＳ２１０に進んでスイッチ１２１をオンし
てスイッチ１２２をオフし、つまり、リセットＣＣＤ１
１３を、リセットライン１１２からモニタライン１１１
に接続換えした後、ステップＳ２０７に戻る。

即ち、フォーカスエリア ｉ−１．　　２．　　３ ｊ−１．２．・・・・・・，８ を除く領域では、ステップ８２０６〜Ｓ２０９を繰返し
実行するから、上記ステップＳ２０５で得られた積分時
間ｔ１中の照射光量に対応した光電荷をリセットライン
１１３に高速排出する。また、フォーカスエリアでは、
ステップ５２０７〜Ｓ２１０を繰返し実行するから、積
分時間ｔ１中の照射光量に対応した光電荷がモニタライ
ンｌｉｔを介してモニタ回路１０５で検出される。換言
すれば、積分時間ｔ１中にフォーカスエリア内の全画素
に照射された被写体光の積分値であるモニタレベルが検
出されたことになる。

ステップＳ２０８で転送終了していれば、ステップＳ２
１１に進んでモニタレベルがＯＫか否かを判定する。モ
ニタレベルが不十分なら、ステップＳ２１２に進んで、
図示しないＡＥセンサにより予め演算で設定した時間ｔ
　を新しい時間ｔ２ｌ に置換した後、ステップＳ２０２に戻って上記動作を再
度繰返すことになる。また、上記ステップＳ２１１にお
けるモニタレベルがＯＫなら、自動露出設定が完了した
ことになるので、上記ステップＳ２０２．Ｓ２０３．Ｓ
２０４と同様のステップＳ２１３．Ｓ２１４．５２１５
を実行した後、ステップＳ２１６に進む。即ち、このス
テップ８２１３〜Ｓ２１６では、上記ステップＳ２１１
までの自動露出設定のルーチンで受光素子１１４上に蓄
積された光電荷をリセットライン１１２に高速排出した
後、上記積分時間ｔ１．ｔ２から予測される積分時間ｔ
３の間受光素子１１４に被写体光を照射して、本露光を
行なうものである。そして、受光素子１１４上に蓄積さ
れた信号電荷を信号ＣＣＤＩ　１５にシフトし、合焦点
検出用信号および出力映像信号としてそれぞれＡＦ信号
ラインＣＣＤ１１７および映像信号ラインＣＣＤ１１６
に転送するようになっている。

上記実施例の説明においては、ＣＣＤを用いて被写体の
パターンに左右されずに合焦点を検出する手段を述べた
が、ＣＣＤ以外の素子、例えばＭＯ　Ｓ　（Ｍｅｔａｌ
　Ｏｘｉｃｌｄｅ　Ｓｅｓ１ｃｏｎｄｕｅｔｏｒ），　
ＡＭ　１（Ａｇｐｌｌｆｌｄｅｄ　ＭＯＳ　Ｉｎｔｅｌ
ｌｉｇｅｎｔ　Ｉｓａｇｅｒ）．　　Ｓ　Ｉ　Ｔ（Ｓｔ
ａｔｉｅ　Ｉｎｄｕｃｔ１ｏｎ　Ｔｒａｎｓ１ｓｔｏｒ
）などにも適用されるもので、映像信号の読み出し部分
でＡＦ信号用に一部を切り出すことにより同様の効果が
得られることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、映像信号中より垂直
・水平にある角度を有する画素の映像信号のみを抽出す
ることにより、被写体のパターンに左右されずに合焦点
検出が可能となり、且つ映像信号自体に影響を与えない
等の優れた効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は、本発明の一実施例を示す焦点検出装置
におけるＣＣＤの受光素子の、第１図（Ｂ）は映像信号
ラインＣＣＤとＡＦ信号ラインＣＣＤの、それぞれの配
置図、 ′Ｍ４２図（＾〉は、映像信号の周波数特性で、第２図
（Ｂ）は映像信号中の特定周波数のパワーのレンズデフ
ォーカス位置に対する分布を示す特性線図、第３図は、
受光素子のフォーカスエリア中の各画素の配置図、 第４図は、本発明の基本原理を示すブロック系統図、 第５図は、本発明の一実施例を示す焦点検出装置のブロ
ック系統図、 第６図は、上記第５図におけるモニタ回路の詳細を示す
ブロック系統図、 第７図は、上記第５図における焦点評価回路の詳細を示
すブロック系統図、 ￥＆８図は、上記第５図におけるＣＣＤの１ライン分の
構成を示すブロック系統図、 第９図は、本発明の一実施例におけるＣＣＤｖｔ分時間
制御のフローチャートである。 １・・・・・・・・・結像光学系 ２・・・・・・・・・撮像素子（撮像索子および映像信
号抽出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被写体像を結像する結像光学系と、 この結像光学系による像を光電変換し、映像信号を出力
   する撮像素子と、 上記映像信号のうち、垂直・水平にある角度を有する映
   像信号のみを抽出する映像信号抽出手段と、 上記抽出された映像信号の特定周波数成分レベルに基づ
   いて、上記結像光学系の焦点状態を検出する検出手段と
   、 を具備したことを特徴とする焦点検出装置。