JPH0391377A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はビデオカメラ等の焦点を自動的に合わせる自動
焦点調節装置に関する。

（従来の技術） 民生用ビデオカメラが登場して今年で丁度１５年に成り
、最近のＣＯＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　　ＣｏｕｐｌｅｄＤ
ｅｖｉｃｅ）等、固体撮像素子の安定供給に支えられて
ビデオカメラ／カメラ一体型ＶＴＲの市場は急成長して
いる。

このようなビデオカメラの現在の普及の原因は、ビデオ
カメラ／カメラ一体型ＶＴＲという形式の起動性、コン
パクト性はもちろんだが、オートフォーカス、オートホ
ワイトバランス、オートアイリスなどの自動機能の装備
及びこれら機能の進歩により誰でも失敗のない撮影が簡
単にできるということにある。

上記オートフォーカス方式には種々のものがあるが、大
別すると測距のために基準となる信号を自ら作り出すか
出さないかで、アクティブ方法とパッシブ方法に分類さ
れる。例えば、コラモリの様に超音波を発して反射音を
とらえて物体までの距離を測る方法や、赤外光をスポッ
ト状に出してその反射光位置を検出する方法がアクティ
ブ方法である。逆に、自らは光も音も出さずに、映像信
号だけから距離を決定するのがパッシブ方法である。

ところで、近年、固体撮像素子には画像歪みがないこと
を利用し、山登りサーボを用いて映像信号の中からピン
ト情報を取出す方式〈パッシブ方法〉が注目され始めた
。この「山登りサーボ方式オートフォーカス」の基本原
理は昭和４１年にＮＨＫの石田等によって提案された。

（石田順−１藤村安志　「山登りサーボ方式によるテレ
ビカメラの自動焦点調節Ｊ　　ＮＨＫ技研研究、Ｖｏｌ
。

１７、Ｎｏ、１　１９６５　　ＰＰ２１〜３７〉山登り
サーボ方式オートフォーカスはパッシブ方式と呼ばれる
もののうち、鮮鋭度（コントラスト〉測定を測距のＭ埋
にしたもので、撮像レンズを介して測距するタイプであ
る。その原理は、映像信号の鮮鋭度、つまり高周波成分
が最大になるように光学焦点調整機構を制御して自動的
に焦点調整を行うことにある。この方法は制御が手順処
理型であってソフトウェア処理に向く形式をしているた
め、ゲートアレイやマイクロコンピュータのような部品
の登場と最近のソフトウェア技術の進歩よって漸く実現
された方式である。この方式の特徴は測距センサが撮像
素子と共用できるのでフォーカス精度が良く、また純電
子的且つソフトウェア処理ができるので小型化する上で
非常に有利な点にある。

山登り方式は大別すると２通りの考え方がある。

一方は試行法であり、他方は摂動法である。試行法は、
平面に縮退化した距離情報を取り出すのにレンズを一旦
動かすことが特徴である。人がピント合せをする際にコ
イン投げを行うように、フォーカスリングをとりあえず
一方に回してみてピントがあったら同じ方向に回し、ボ
ケたら今度は反対に回して最もコントラストが強くなる
点で止めるという動作を行うのと同じ方法である。

一方、摂動法はレンズから撮像素子までの光路長を、何
等かの方法で常時、微小変動（摂動〉させることにより
、映像信号に含まれる高周波成分を摂動の周波数で変調
しておき、微小変動成分の振幅と位相から前ビンが後ピ
ンかを判断するものである。しかし、摂動法においては
光路長を変調する機械的手段が別に必要なため部品が増
えるという短所があった。出登りサーボ方式オートフォ
ーカスの動作対象は、試行法も摂動法も基本的には静止
した被写体像に合焦させることである。

出登りサーボ方式オートフォーカスは試行動作により合
焦（焦点が合っている。）かボケでいるか否かの判断を
する。従って、測距の一連の動作が、被写体の動きに比
べて極めて短時間に行われる場合には、被写体の動きと
の間に問題は少ないが、測距のためのピント情報のサン
プリングの時間間隔がテレビジョンの１フイ一ルド程度
の場合には、被写体の動きとの間でサンプリングによる
折り返しが生じて、山登りサーボ動作の因果性が崩れて
誤動作（誤合焦）が生じる。

また、測距の一連の動作により期待される信号量の変化
が、被写体の動きによる変化に比べて十分に大きい場合
には被写体の動きとの間に問題が生じることは少ない。

しかし、期待される信号量の変化が被写体の動きによる
変化に比べて小さい場合には出登りサーボ動作の因果性
が崩れて誤動作（誤合焦）が生じる。

このため、測距の一連の動作により期待される信号量の
変化が被写体の動きによる変化に比べて十分に大きくな
るように、大振幅でフォーカスリングを動かさねばなら
ず、使用上−旦大きくピントがボケでしまう現象が生じ
、大変見づらい映像となっていた。

一例として、最も顕著に外乱の影響を受ける山登り方式
オートフォーカスを上げて説明したが、赤外線方式、Ｔ
ＣＬ方式、超音波方式、位相差方式など方式を問わず生
じる現象であり、映像を見にくくする動作は同様である
。

（発明が解決しようとする課Ｂ） 山登りサーボ方式オートフォーカスを動画撮　− 影に用いる際に、山登り動作の因果性を崩すような手ブ
レ、被写体の動き、ズーミング、パンニング等の外乱が
入ると、誤動作（誤合焦）をする。

そこでこのような外乱を生じた場合、レンズを一旦動か
すことで、平面に縮退化した距離情報を取り出すには、
レンズの動きと距離情報の分離の因果性を確保する必要
があった。例えば、被写体の動きによる変化に比べて測
距の一連の動作により期待される信号量の変化が小さい
場合には山登りサーボ動作の因果性が崩れて誤動作（誤
合焦〉が生じため、被写体の動きによる変化に比べて十
分に大きくなるように大振幅でフォーカスリングを動か
さねばならず、使用上−旦大きくピントがボケでしまう
現象が生じ、大変見づらい映像となる欠点があった。

そこで本発明は上記の欠点を除去するもので、手ブレ、
被写体の動き等による撮影状態の変化に対して山登りサ
ーボ動作の因果性を保持することにより円滑かつ確実な
合焦を行うことができる自動焦点調節装置を提供するこ
とを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段〉 本発明は撮像レンズによって撮像素子上に結像された光
学像の映像信号を得、この映像信号の高域成分に基づい
て前記撮像レンズの焦点を自動的に調整する自動焦点調
節装置において、前記高域成分から前記撮像レンズによ
って撮像されるシーンあるいは被写体の変化を抽出する
遅い変動抽出手段と、前記高域成分から前記撮像レンズ
によって撮像される手ブレ等による揺動成分を抽出する
速い変動抽出手段と、これら両抽出手段の抽出結果に基
づいて前記撮像レンズの焦点調整に係わる状態を推定す
る状態推定手段と、この状態推定手段によって推定され
た前記撮像レンズの状態に対応してこの撮像レンズの焦
点を調整する機構の動作速度及び動作の可否等を決定す
るモード決定手段とを具備した構成を有する。

（作用〉 本発明の自動焦点調節装置において、遅い変動抽出手段
は前記高域成分から撮像レンズによって撮像されるシー
ンあるいは被写体の変化を抽出する。速い変動抽出手段
は前記高域成分から前記撮像レンズによって撮像される
手ブレ等による揺動成分を抽出する。状態推定手段は前
記両抽出手段の抽出結果に基づいて前記撮像レンズの焦
点調整に係わる状態を推定する。モード決定手段は前記
状態推定手段によって推定された前記撮像レンズの状態
に対応してこの撮像レンズの焦点を調整する機構の動作
速度及び動作の可否等を決定する。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図は本発明の自動焦点調節装置の一実施例を示したブ
ロック図である。１は被写体の光学像をＣＣＤ２上に結
像するズーミングが可能な撮像レンズ、２は光学像を光
電変換して画像信号に変換するＣＯＤ、３はＣ０Ｄ２か
ら入力される画像信号を処理して輝度信号とするカメラ
系信号処理回路、４は撮像レンズの焦点制御を行う自動
焦点制御系、４１はカメラ系信号処理回路３から出力さ
れる輝度信号から高域成分を抽出するバンドパスフィル
タ部で、２００ＫＨ〜１．５ＭＨｚの周波数帯を抽出す
るフィルタ（ＢＰＦ）ａと４００ＫＨ〜１．５ＭＨｚの
周波数帯を抽出するフィルタ（ＢＰＦ）ｂと、これらフ
ィルタａ、　ｂのいずれか一方の出力信号を選択する切
替スイッチ及び選択された出力信号を整流する整流器を
有している。４２は入力信号をデジタル化するＡ／Ｄ変
換器、４３はＡ／Ｄ変換器からの出力信号を積算する積
算器、４４は積算器４３がら出力される信号に基づいて
モータドライブ回路４５を制御して撮像レンズ１のフォ
ーカス制御を行うマイクロコンピュータ、５は撮像レン
ズのフォーカス機構を駆動するフォーカスモーフ、４６
はモータドライブ回路４５の出力パルスを検出してマイ
クロコンピュータ４４にフィードバックするパルス検出
回路である。

次に本実施例の動作について説明する。ｍ像レンズ１か
ら入射してＣＣＤ２上に結像した被写体像は、輝度信号
としてカメラ系信号処理回路３から映像信号となって自
動焦点制御系４に入力され０ る。前記映像信号の輝度信号はバンドパスフィルタ部４
１によりその高域成分が抽出される。このように輝度信
号の上側帯域制限を行った理由はＡ／Ｄ変換器４２にて
デジタル化する際の折り返し雑音や歪みを除去するため
である。高域成分は引き込みを行うために、２００ＫＨ
ｚ　〜１．５　ＭＨｚの低域フィルタａを通したものと
、合焦精度を確保するために、４００ＫＨｚ−１，５Ｍ
Ｈｚの高域フィルタｂを通したものになり、スイッチで
適宜選択されて半波整流され、３．５８ＭＨｚ・６ビツ
トでＡ／Ｄ変換器４２にてデジタル化される。

このＡ／Ｄ変換された信号は高速で、マイクロコンピュ
ータ４４に直接入力できないため、ゲートアレイで構成
された積算器４３により、全画面の１／４に当たる第２
図に示すようなフォーカス検出エリア内の高周波成分が
積算されて、１／６０秒毎にマイクロコンピュータ４４
へ焦点データとして送り込まれる。マイクロコンピュー
タ４４は入力に対して撮影状態に応じた状況判断を行い
、フォーカスモーフ５を慣性の影響、時間遅れ等を１ 考慮して、モータドライブ回路４５を介して所定の方向
に２種類のモードで動かす。この２種類のモードには、
大きな変化に対して素早く動作するモード（大振幅モー
ド〉と、小さな変化に対して小さく動作するモード（小
振幅モード）がある。

具体的には以下の表め如くである。

第３図はマイクロコンピュータ４４のソフトウェアの基
本構成を示した図である。ソフトウェアは山登りコアソ
フト３１と外乱状態推定部３２がら成る。

第４図は上記山登りコアソフト３１の動作の概念を示し
た図であり、第５図は前記山登りソフトウェアのフロー
チャートを示している。即ち、山登り部分はとりあえず
右か左にレンズを回して焦点データの増減を見るＭｌと
、焦点データが増加する方向が見つかったらピークが見
つかるまでそちらへ回し続けるＭ２と、焦点データのピ
ークを一旦僅かに越えたことを判定し、必要に応じてバ
ンドパスフィルタを切り替える操作を行うＭ３と、焦点
データのピークから行き過ぎた量だけモータ２ −を逆回転してピークに戻すＭ４及び合焦状態を示すＭ
５の各モードから戒っている。尚、本実施例の骨子であ
る外乱の状態推定部分はＭ５に附随している。

ここで、外乱状態推定部３２の基本構成例を第６図に示
す。この例の基本動作は焦点データの移動平均を取り、
その変化からシーンの変化を検出した後、現焦点データ
を移動平均と重心が揃うまで時間シフトして、両者の差
分から手プレ等外乱を検出することである。

１フイールド毎にマイクロコンピュータ４４に取り込ま
れた高周波信号１００は、Ｓ／Ｎ向上のため、移動平均
算出手段３２１により３データずつ加算されて新たな１
データであるＦＶとして扱われる。また、出登りコアソ
フト３１の山登り動作によって一旦合焦した時の最終Ｆ
ＶをＦＶＯとする。移動平均算出手段３２１は一旦合焦
してからの連続した例えば１０個のＦＶデータを加算す
ることにより、被写体情報の移動平均ＥＮＯ（Ｅｎｖｅ
ｌｏｐｅ　：包絡線〉を得る。ここで、３− 移動平均算出手段３２１にて移動平均を取るデータ数は
、外乱の状況と応答速度との絡みで選ぶが、ここでは１
０とした。更に、移動平均算出手段３２１はＥＮＯとＦ
ＶＯの差分から、ＥＮ＝１（ＥＮＯ−１０ＸＦＶＯ）／
（ＩＯＸＦＶＯ）を作って交差の測度とし、これを遅い
変動検出手段３２２に出力する。これと同時に、遅延手
段３２３はＦＶを５デ一タ分遅延して、ＥＮＯと重心を
揃えてＦＶとし、これを減算手段３２４に出力する。

減算手段３２４はＦＬ＝Ｉ　　（ＥＮ−ＦＶ）／ＥＮ（
Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ：動揺）を算出して、これを早
い変動算出手段３２５に出力する。速い変動検出手段３
２５は前記ＥＮがあるスレショルドレベルＥＮＴを越え
たかどうかを判定して、その結果を状態推定及び動作モ
ード指定手段３２６に出力する。

移動平均ＥＮＯから求めたＥＮは、遅い変動、例えばシ
ーン或いは被写体の変化を示し、揺動ＦＬは、速い変動
、例えば手ブレを示す。更に、早い変動検出手段３２５
は、ＦＬを平均周波数的尺４ 度で評価した場合、即ち、ＦＶの４０データインターバ
ル（約２秒〉内のＰＬを積分した値があるスレッショル
ドレベルＦＬＴを越えたかどうがを評価し、その結果を
状態推定及び動作モード指定手段３２６に出力する。

本実施例では、手ブレの実験などにより、ＦＬＴは３％
、ＥＮＴは７％、平均周波数的尺度のデータインタバル
も４０とした。使用者側の使用状況に応じて、これらの
定数を適宜選択していく。

高周波成分の移動平均は、被写体のコントラストの大き
さそのもの（位置に相当）を示し、重心移動した瞬時値
は大きさの変化の割合い、即ち速度を示すから、状態推
定及び動作モード指定手段３２６は両者で位相面に相当
するダイアダラムを形成して系の状態推定を行うことが
でき、その推定結果を山登りコアソフト３１に出力する
。

ここで、移動平均算出手段３２１と遅い変動検出手段３
２２は遅い変動抽出手段を、遅延手段３２３と減算手段
３２４は速い変動抽出手段を、状態推定及び動作モード
指定手段３２６は状態推５ 定手段及びモード決定手段を構成している。

第７図は、３ｍの距離にあるポスターを１／２インチ光
学系で焦点距離５４ｍｍのビデオカメラを手持ちで撮影
した場合の（ａ）合焦、（ｂ）ボケ手ブレ、（Ｃ）合焦
静止画状態における高周波信号レベルの変動を示した例
である。高周波信号のレベル変動と、手ブレの大小又は
その有無には密接な関係がある。合焦している場合には
被写体像が撮像素子の感光画素上を移動する度に、被写
体の見掛上の空間周波数が低下したり上がったりするの
で、高周波レベルの変動即ち、手ブレの影響が直接税れ
てＦＬが大きくなる。一方、ボケが発生している場合に
は錯乱円が広がっており被写体の空間周波数成分の高域
成分がないため、高周波レベルの変動が生じないのでＦ
Ｌは小さい。又、シーンが変化した場合には、一般的に
、変化前後のシーンに相関がないため、高周波レベルそ
のものが定常的に大きく変化し、ＦＬも過渡的に変化す
る。この時、ボケが発生すればＦＬは小さくなるし、合
焦していればＦＬは小さくならない。

６ 上記のことから、ＥＮとＦＬを簡易的に大小に状態分類
して外乱の状態を疑似位相面として第１表のように与え
ることができる。

そこで、状態推定及び動作モード推定手段３２６は、疑
似位相面が示す変動の状態ごとに意味を割り付けてオー
トフォーカスの動作態様を指定するという第２表に示し
たような動作を行うが、外乱推定による制御は大振幅動
作か又は小振幅動作かを指定することになる。

以下余白 ７ 第２表 ここで気を付けるべきはＥＮ、ＦＬ共に小の場合である
。この状態は静止画を撮影している場合と、大きくボケ
で停止している場合が縮退して含まれている。従って一
旦は確認のため、オートフォーカスを動作させてみる必
要がある。尚、前記ＥＮとＦＬの大小関係とオートフォ
ーカスの動作速度及び停止との関係は、下記に示す第３
表に示す如くである。

以下余白 ８ 第３表 本実施例の外乱状態推定部３２によって（１〉山登り動
作の因果性が崩れた被写体に対してはオートフォーカス
動作を起動させない、（２〉確実に山登り動作の因果性
が保証された被写体に対してはオートフォーカス動作を
起動させる、オートフォーカス動作を起動させる場合に
も状況に応じて適応的に動作モードを選択する、（３）
大きくボケた被写体に対してはボケ状態が検出できるの
でボケ状態を判断したら確認のために合焦動作を起動さ
せて、ボケ状態から確実にに復帰させるこ９ とができる制御を行うことにより、頻繁に不必要なオー
トフォーカス動作を起動したり、山登り動作の因果性が
崩れた被写体に対してオートフォーカス動作が起動して
、誤合焦することを防止することができ、一方、確実に
合焦可能な被写体に対しては常に確実な合焦を行うこと
ができるため、結果として、見易い画面を与えることが
できる。

尚、前実施例では、ＦＬの単位時間内の積分値で外乱の
大小を評価したが、平均周波数的尺度で、評価すること
もできる。例えば、ＦＶの４０データインターバル（約
２秒〉内に、何回、あるスレショルドＦＬＴを超えたか
を評価することでも判定できる。又、同様に外乱状態を
判定させる時間インターバルは、施行者側で状況に応じ
て適宜定めれば良い。更に前実施例では４つの状態で外
乱を推定し、離散的な動作モードの形式で制御状態を与
えたが、これに限ることはなく、外乱状態はこれより多
くても少なくても良く、外乱のＥＮ、ＦＬのアナログ値
、レンズの焦点距離、アイリス値をメンバーシップ関数
としてファジー制御を行０ っても良い。又、オートフォーカス方式も山登りサーボ
に限ること無く、三角測量タイプ、赤外線方式などにも
同様に適用出来ることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上記述した如く本発明の自動焦点調節装置によれば、
映像の高周波成分外乱を検出して外乱の状態毎に意味を
割り付けすることにより、オー１〜フオーカスの動作態
様を指定した結果、山登り動作の因果性が崩れた被写体
に対して頻繁に不必要なオートフォーカス動作が起動し
たり、更に、大きくボケで一旦停止してしまった被写体
に対してもボケ状態を検出して、このボケ状態がら確実
に復帰させることができるようになる。当然のことなが
ら、山登り動作の因果性が保たれている場合には、より
確実に合焦可能になる。副次的に、システムの動作回数
が減るため、低消費電力化と共に、装置の耐久性向上に
つながる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の自動焦点調節装置の一実施１ 例を示したブロック図、第２図は第１図で示した積算器
のフォーカス検出エリア例を示した図、第３図は第１図
に示したマイクロコンピュータのソフトウェア構成例を
示した図、第４図は第３図に示した山登りコアソフトの
動作概念を示した概念図、第５図は第３図に示した山登
りコアソフトの動作フローチャート、第６図は第３図に
示した外乱状態推定部の詳細構成例を示したブロック図
、第７図は第１図に示したビデオカメラの合焦、ボケ手
ブレ、合焦静止画における高周波信号のレベル変動例を
示した図である。 ｌ・・・撮像レンズ ３・・・カメラ系信号処理回路 ４・・・自動焦点制御系 ３２・・・外乱状態推定部 部４２・・・Ａ／Ｄ変換器 ４４・・・マイクロコンピュータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 撮像レンズによって撮像素子上に結像された光学像の映
   像信号を得、この映像信号の高域成分に基づいて前記撮
   像レンズの焦点を自動的に調整する自動焦点調節装置に
   おいて、前記高域成分から前記撮像レンズによって撮像
   されるシーンあるいは被写体の変化を抽出する遅い変動
   抽出手段と、前記高域成分から前記撮像レンズによって
   撮像される手ブレ等による揺動成分を抽出する速い変動
   抽出手段と、これら両抽出手段の抽出結果に基づいて前
   記撮像レンズの焦点調整に係わる状態を推定する状態推
   定手段と、この状態推定手段によって推定された前記撮
   像レンズの状態に対応してこの撮像レンズの焦点を調整
   する機構の動作速度及び動作の可否等を決定するモード
   決定手段とを具備したことを特徴とする自動焦点調節装
   置。