JPH0531350B2 - - Google Patents

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つて画面の精細
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（以後ヘリコイドと表わす）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AF装置と表わす）の構成を示すブロツク図
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はハイパスフイル
タ、５は検波器、６は差分ホールド回路、７はモ
ータ駆動回路、８はレンズシステム１のヘリコイ
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ハイパスフイルタ４で
抽出され、検波器５で検波された後、端子５１に
あらわれる。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
にあらわれる焦点電圧は、レンズシステム１のヘ
リコイド位置（Ａ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
ヘリコイド位置が上記位置Ａからずれるに従がつ
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
にあらわ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、モータ駆動回路７は端子６１にあらわれる差
分ホールド回路６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
圧はヘ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、ヘリコ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のヘリコイド位置
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
出力電圧により登つてゆき、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１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、減少をフイードバツ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、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１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
山の傾斜が急しゆんなので振動の振幅も小さく、
ほ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の欠点ほど致命的
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、ポータブ
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、
合焦時に目立つ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。従つて被写界深度が大きく、ヘリコイドが
どの位置にあつ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うるヘリコイドの停
止位置（以後これをハ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、一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置（ハーケ
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つた際には
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ツク図である。

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のヘリコイド
位置の情報をデイジタル値に変換するためのＡ／
Ｄ変換器である。１５はハーケンポイント計算回
路、１６はハーケンポイントメモリ、１７，１
９，２１，２３は比較回路、１８は停止ハーケン
ポイントメモリ、２０はハーケンポイント数メモ
リ、２２は焦点電圧メモリ、２４，２５は和回
路、２６はカウンタ、２７は第１ヘリコイド位置
メモリ、２８は第２ヘ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
子スイツチである。なおモータ駆動回路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
前にハーケンポイントにつき説明する。

ハ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∞と表わす）までをカバーしうるあらかじ
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。

Ri＝f²／ρF・１／（2i−１） 但し、ｉは正の整数……(1)式 ここにRiは無限遠∞側から数えてｉ番目のハ
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、必要とされるハ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Rminとすると、
Ｎ番目のハーケンポイントがRmin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。

Ｎ≧１／２・f²／ρF・１／Rmin ……(2)式 たとえば、レンズ１として焦点距離ｆ＝50mm、
絞り値Ｆ＝1.8、至近距離Rmin＝１ｍを用い、許
容錯乱円の直径をρ＝40μｍとしたとき、(2)式よ
りハーケンポイント数Ｎは18で、かつ(1)式より各
ハーケンポイントの位置RiはR₁＝34.72ｍ、R₂＝
11.57ｍ、R₃＝6.94ｍ、……R₁₈＝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つ
てもヘリコイドの位置をハーケンポイントR₁〜
R₁₈のうちの最適な１つに選べば所定のピントの
合つた撮映が可能である。以上がハーケンポイン
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ハー
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１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変換されてデイジタル符号となり、共にハ
ーケンポイント計算回路１５に入力される。ハー
ケンポイント計算回路１５は前述の(1)式、(2)式に
もとずいてハーケンポイント数Ｎとハーケンポイ
ント位置Ｒ１〜RNを計算し、ハーケンポイント
数をハーケンポイント数メモリ２０に格納し、各
ハーケンポイント位置をハ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のヘリコイド
が停止すべきハーケンポイント位置を求める。

（第２段階） 第１段階で求めたハーケンポイ
ント位置へとヘリコイドを制御し、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)式によりハーケン
ポイント数と各ハ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
なハ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の焦点距離ｆの
情報と絞り値Ｆの情報はそれぞれＡ／Ｄ変換器１
１，１２でデイジタル値に変換され、ハーケンポ
イント計算回路１５に入力される。ハーケンポイ
ント計算回路１５は前記(1)式、(2)式によりハーケ
ンポイント数Ｎと各ハーケンポイント位置R₁〜
Rnを計算し、それぞれハーケンポイント数メモ
リ２０、及びハーケンポイントメモリ１６に記憶
する。

第1.2段階では電子スイツチ３１がＡ側となつ
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
ツチ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h₁、新しいヘリコイドの位置がh₂である。この
状態はたとえば位置h₁にあつ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つ
て、一旦合焦位置h₂に達し、位置h₂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h₃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h₄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h₃とh₄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。従つ
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
回目の逆転時のヘリコイド位置h₃の情報を第１ヘ
リコイド位置メモリ２７に、第２回目の逆転時の
ヘリコイド位置h₄の情報を第２ヘリコイド位置メ
モリ２８に格納し、第２回目の逆転と同時に和回
路２５を介して電子スイツチ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h₅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つて、第１回
目の反転後にカウンタ２６の内容をリセツトし
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となつて山登
りループが開放されると同時に、ハーケンポイン
トメモリ１６の内容は、順次比較回路１７に入力
されて、第１ヘリコイド位置メモリ２７、および
第２ヘ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
も近いハーケンポイントメモリ１６の内容が停止
ハ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、電子スイツチ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のヘリコイド位置を制御し、入力す
る停止ハ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のヘ
リコイド位置の情報を一致させ、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、ハー
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
が変わつたり、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に入力されるハー
ケンポイント数メモリ２０の内容と、ハーケンポ
イント計算回路１５から入力する新しいハーケン
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２４，２
５を介して電子スイツチ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をリセツ
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つた場合
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を介して電子スイツチ３
１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をリセツトし、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
ヘ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h₁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∞となつた場合の
説明をしなかつたが、この場合には一たん無条件
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、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ヘリコイドを完全
に停止させることができるので、従来の山登り方
式に依存したヘ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、本発明の実施例の説明では、ハーケンポ
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、各ハーケンポイントの位置
もそのハーケンポイント数と対応するよう選定し
たが、本発明に用いるハーケンポイント数は上記
最小の数以上であればいかなる数でも良く、この
場合のハーケンポイント位置は各隣接するハーケ
ンポイントのカバーする被写界深度が互いに重な
り合つていさえすれば良いのは言うまでもない。

また、第３図のハーケンポイント計算回路１５
により計算されるハ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
リコイドをそのハ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
装置のブロツク図、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ツク
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：ハーケンポイント計
算回路、１６：ハーケンポイントメモリ、１７：
比較回路、１８：停止ハ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、２２：焦点電圧メモリ（記
憶手段）、２３：比較回路、２４，２５：和回路、
２６：カウンタ（合焦状態検出手段）、２７：第
１ヘリコイド位置メモリ、２８：第２ヘリコイド
位置メモリ、２９：平均回路、３０：モータ駆動
回路、３１：電子スイツチ（スイツチ手段）、３
２：判定回路、８：モータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被写体からの光を映像信号に変換する撮像手
   段と、 被写体と撮像手段との間に設けられ、光軸方向
   に移動可能なレンズと、 上記レンズのレンズ位置を光軸方向に移動させ
   るモータと、 上記撮像手段から出力される映像信号の高周波
   成分を抽出して、上記レンズの移動範囲の途中の
   合焦レンズ位置において最大となり、この合焦レ
   ンズ位置から上記レンズが離れるに従い減少する
   特性をもつ焦点電圧を発生する焦点電圧発生手段
   と、 上記焦点電圧を増加する方向に上記レンズが移
   動するように、上記モータの回転を制御するモー
   タ駆動手段と、 からなるフイードバツクループにより自動合焦動
   作を行う際に、 上記レンズが上記合焦レンズ位置に到達したこ
   とを検出する合焦位置検出手段と、 上記合焦位置検出手段による検出がなされる
   と、上記フイードバツクループを開いて、上記レ
   ンズの移動を停止させるレンズ設定手段と、 上記レンズが停止された状態において、絞り値
   情報と焦点距離情報とから割り出される撮像情報
   と、焦点電圧とを、順次記憶する記憶手段と、 該記憶手段に記憶されている値と、順次入力さ
   れる上記撮像情報と焦点電圧とをそれぞれ比較
   し、少なくとも一方の差が予め定められた値を越
   えた際に、上記フイードバツクループを閉じる出
   力信号を発生する比較手段と、 を設け、これにより、上記フイードバツクループ
   による自動合焦動作によつて上記合焦レンズ位置
   近傍で生じる上記レンズの振動を防止するととも
   に、撮像状態の変化に対して自動合焦動作を再開
   始することを特徴とする自動焦点合わせ装置。