JPH0614700B2 - 自動焦点整合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はビデオカメラの撮像素子より得られる映像信号
の高域周波数成分を検出し、その振幅が最大になる様に
レンズの焦点整合装置を駆動する自動焦点整合装置に関
するものである。

従来例の構成とその問題点 近年、ビデオカメラはポータブルビデオテープレコーダ
と共に、その需要を急速に伸ばしつつある。自動焦点整
合装置は、ビデオカメラの取扱いを簡便にし、一層の普
及に貢献するものである。

以下に従来の自動焦点整合装置について説明する。従来
の自動焦点整合装置として、赤外線を被写体に向けて発
射し、被写体より反射された赤外線を受光し、受光角度
より被写体までの距離を測定し、その距離によりレンズ
の焦点整合装置を所定の位置へ駆動する方式がある。前
記方式は、早い応答速度をもつが、被写体までの距離を
正確に測定でき、かつその測定結果によって確実にレン
ズの焦点整合装置を所定の位置に駆動するには、焦点整
合装置の高い組立精度が必要であった。さらに、赤外線
を発射し、被写体からの反射光を利用しているため、距
離の遠い被写体が不得手であり、消費電力も少なくない
などの問題点を有していた。

また、整合装置の組立精度を必要とせずかつ前述したよ
うな問題点を解決するものとして、ビデオカメラの撮像
素子より得られる映像信号を利用しかつレンズの焦点整
合装置をも含めてクローズドループを形成した自動焦点
整合装置がある。すなわち、撮像素子の受光面に結像し
ている被写体像を周期的、光学的にボカし、前記ボケに
対応する信号を前記撮像素子より得られる映像信号より
検出し、前記映像信号の高域周波数成分の信号振幅が最
大になるように、レンズの焦点整合装置を駆動するもの
である。以下、図面を用いて、前述したレンズをクロー
ズドループ内に入れる自動焦点整合装置の従来例につい
て説明する。

第１図は従来の自動焦点整合装置のブロック図を示すも
のである。第１図において、１はレンズ、２は被写体の
光学的情報を電気信号に変換する撮像素子、３は撮像素
子２より得た電気信号を増幅する前置増幅器、４は前置
増幅器３の出力信号をテレビジョン信号に変換するプロ
セス回路、５はプロセス回路４、撮像素子駆動回路６に
各種同期信号を供給する同期信号発生器である。撮像素
子駆動回路６は撮像素子２を駆動する。７は前置増幅器
３の出力信号から高域周波数成分を検出する高域周波数
成分検出回路で、例えば中心周波数１〔MHz〕のバンド
パスフィルタである。８は高域周波数レベル検出回路９
の出力信号によって利得を可変する利得制御回路であ
る。高域周波数レベル検出回路９は高域周波数成分検出
回路７の出力信号のレベルが回路のダイナミックレンジ
内であるかを検出し、その結果を出力する。１０は基準
周波数発生回路で、１１は高域周波数成分内に含まれる
基準周波数成分を検出する基準周波数成分検出回路で例
えば基準周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタ
である。１２は基準周波数成分検出回路１１の出力信号
を基準周波数で同期検波する同期検波回路、１３は基準
周波数と同期検波回路１２の出力信号でモータを駆動す
るモータ駆動回路、１４はレンズ１の焦点整合装置を駆
動するモータである。

以上のように構成された従来の自動焦点整合装置につい
て、以下その動作について説明する。

レンズ１の焦点整合装置は、モータ１４によって基準周
波数発生回路１０より発生する基準周波数で微動し、目
に検知できない程度にレンズの焦点を変化させる。撮像
素子２より得られる映像信号の高域周波数成分は、前記
フォーカスの微変動に対応する変化成分を含んでおり、
高域周波数成分検出回路７、基準周波数成分検出回路１
１によって検出される。同期検波回路１２は、検出され
た基準周波数成分の振幅と位相を検出し、モータ駆動回
路１２に加え、撮像素子２より得られる映像信号の高域
周波数成分の振幅が最大になるようにモータ１４を駆動
する。この点について、第２図を用いてもう少し詳細に
説明する。

第２図はモータ１４の駆動方向を検出する原理を説明す
る図である。縦軸は撮像素子２より得られる映像信号の
高域周波数成分のレベルで、横軸はレンズ１の焦点整合
装置の位置である。いま、被写体が距離Ｄ_１に位置する
場合、高域周波数成分のレベルはレンズ１の焦点整合装
置が被写体までの距離に対応した位置で合焦し最大、そ
れより近距離側，遠距離側にズレても減少する山形特性
となり、第２図のようになる。一方、a₁,a₂はモータ１
４の基準周波数での微変動を示している。ａ_１はレンズ
１の焦点整合装置が被写体まで距離に対応した位置より
近距離にあった場合で、この時、高域周波数成分はｂ_１
のような振幅変調を受ける。またａ_２は遠距離側にあっ
た場合で、この時はｂ_２のような振幅変調を受ける。こ
のように高域周波数成分はモータ１４の微変動によっ
て、基準周波数で振幅変調を受けることになる。前記振
幅変調による高域周波数成分に含まれる基準周波数成分
は、b₁,b₂から明らかなように近距離側と遠距離側で位
相が１８０°反転する。従って、ｂ_１のような振幅変調
を受けた高域周波数成分から基準周波数成分を検出し、
前記基準周波数成分を基準信号で同期検波した信号でモ
ータ１４を矢印ｃ_１の方向に駆動するなら、ｂ_２の場合
ではｃ_２の矢印の方向にモータ１４が動くことになり、
モータ１４は常に高域周波数成分が最大になる所で安定
する。このようにレンズの焦点整合装置を含めてクロー
ズドループを形成でき、焦点整合装置の精度をラフにで
きるなどの特徴をもつ。しかし、撮像素子２より得られ
る高域周波数成分のレベルは、非常に大きなダイナミッ
クレンジを持ち利得制御が必要になる。この点について
第３図を用いて説明する。

いま、説明の簡単化のために被写体として第３図(イ)に
示すような右半分暗、左半分明のパターンを考える。こ
の時、ｅ−ｅ′を走査して得られる映像信号は(ロ)のよ
うになる。明部に相当する部分の照度をI_max、暗部の照
度をI_minとするとき、コントラストＣは、 となり、Ｃは０から１まで変わる。コントラストＣ＝０
はパターン全体が一様な明るさで、明暗がない。また、
暗部の照度が０のときコントラストＣは１となる。この
ような被写体を撮像して得られる高域周波数成分は、前
記コントラストＣに比例する。さらに、明暗の照度I_max
にも比例する。ところで撮像素子より得られる映像信号
の振幅は、照度に比例するから、結局、高域周波数成分
Ｖ_Ｈは各照度に対する映像信号の振幅をV_max,V_minとす
ると V_H∝C・V_max……(1) ∝V_max-V_min……(2) なる関係を満たす。自動焦点整合装置を構成する場合、
コントラストＣのダイナミックレンジは、人間の検知限
界まで保証する必要があり、２０数〔dB〕以上ある。一
方、映像信号の振幅の最大値V_maxのダイナミックレンジ
は、ビデオカメラの場合、前記コントラストＣのダイナ
ミックレンジよりも広く、３０数〔dB〕以上ある。結
局、高域周波数成分Ｖ_Ｈのダイナミックレンジは６０
〔dB〕近く必要になる。これは、回路上実現が困難であ
るばかりでなく、ループゲインが６０〔dB〕近く変るこ
とと等価になり、系が非常に不安定になる。なぜなら、
高域周波数成分に含まれる基本周波数成分は、前記高域
周波数成分のレベルに比例するからである。また、回路
が飽和し高域周波数成分のピーク部が抑圧されるなら
ば、高域周波数の振幅変調分が失われてしまう。これで
は基準周波数成分の検出が不可能になり、自動焦点整合
装置は全く動作しなくなり、致命的である。このような
理由から、自動焦点整合装置にとって、利得制御は必須
であり、利得制御回路８がそれを行うものである。利得
制御回路８は、高域周波数レベル検出回路９で高域周波
数成分のレベルが予め定められたダイナミックレンジ内
であるかを検出し、その結果に応じ利得を段階的に変え
るものである。利得制御の手段として高域周波数成分の
包絡線を一定値にするＡＧＣループ方式も考えられる
が、一つのループ内に別のループをもつことは、応答、
安定性の面から実現が困難であり、前述したような段階
的利得制御が簡単かつ効果的である。利得制御回路８は
回路が飽和することなくかつループゲインの極端な変動
も抑えるために５段階程度の利得制御が必要である。

さて、レンズ１の焦点整合装置が合焦位置より近距離側
から合焦位置へ駆動された時の利得制御後の高域周波数
成分の変化を考える。最初利得制御回路８は、焦点が外
れて画像がボケて高域周波数成分が少ないため、高域周
波数成分検出回路７の出力が所定のダイナミックレンジ
内に入るように大きな利得を有している。焦点整合装置
が駆動され焦点が合うに従って高域周波数成分が増加す
る。高域周波数成分が所定のダイナミックレンジの上限
を超えると、高域周波数レベル検出回路９がこれを検出
し、利得制御回路８は利得を１段階下げる。高域周波数
成分がさらに増えダイナミックレンジの上限を超えると
前述した利得制御を繰り返し合焦位置に至る。。ビデオ
カメラは室内から屋外まで使用されまた広範囲な被写体
を撮像する。従って、利得制御の回数は必然的に多くな
る。ところで、高域周波数成分検出回路７の出力は、利
得制御の前後で急激な変化を示す。基準周波数成分検出
回路１１は前述したように基準周波数を中心周波数とす
るバンドパスフィルタであり、S/Nよく基準周波数成分
を検出するためにそのＱは高くしてある。このため、利
得制御に伴う高域周波数成分のレベルの急激な変化に対
する応答は悪く，相当長い期間不要なリンギング成分を
出力する。本自動焦点整合装置は基準周波数成分検出回
路１１の出力信号を基準信号で同期検波してモータ１４
を駆動しているため、前述した不要なリンギング成分は
系の誤動作を引起こす。誤動作を防止するには、利得制
御するたびにループを切るかモータを停止しなければな
らず、利得制御の回数が多いとモータを駆動してから合
焦を得るまでの応答時間が非常に遅くなる。これは動く
被写体を撮像する機会の多いビデオカメラの自動焦点整
合装置として致命的な問題である。

このように上記のような構成では、モータを駆動してか
ら合焦を得るまでの利得制御回数が多く誤動作防止のた
め利得制御のたびにモータを停止していたのでは、その
応答速度は実用に耐えうるものでないという問題点を有
していた。

発明の目的 本発明は上記従来の問題点を解消するもので、応答速度
が早く動く被写体にも十分追従する自動焦点整合装置を
提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は撮像素子より得られる映像信号の高域周波数成
分を検出し、前記高域周波数成分の振幅が最大になる様
にレンズの焦点整合装置を駆動する自動焦点整合装置に
おいて、前記映像信号の振幅すなわち輝度のレベルを検
出し、前記検出結果によって利得制御する自動焦点整合
装置であり、映像信号の輝度レベルを検出し、利得制御
することにより、合焦を得るまでの利得制御の回数を大
幅に減らし、応答速度を飛躍的に向上することのできる
ものである。

実施例の説明 第５図は本発明の第１の実施例における自動焦点整合装
置のブロック図を示すものである。第５図において、１
５は輝度レベル検出回路１６の出力によって、映像信号
の振幅すなわち輝度レベルが所定のダイナミックレンジ
内になるように利得を変化させる輝度利得制御回路であ
る。輝度レベル検出回路１６は輝度のレベルを検出する
もので、特に(1)式のV_maxを検出する様に構成された輝
度レベル検出回路で例えばピーク検出回路である。１７
は第１図の利得制御回路８と同様に高域周波数レベル検
出回路９の出力によって利得を変化させる利得制御回路
であるが、その制御段数は少ない。

以上のように構成された本実施例の自動焦点整合装置に
ついて、以下その動作を説明する。

高域周波数成分のレベルは、前述したように映像信号の
振幅すなわち輝度レベルに比例する。輝度レベルは、合
焦しているか否かに関係なく被写体が同じなら一定であ
る。映像信号の振幅すなわち輝度レベルは、３０数〔d
B〕以上のダイナミックレンジを有しており、利得制御
の段数を増やす大きな要因となっていたが、前記のよう
に、画像がボケた状態であっても予め輝度レベルを検出
し利得制御をしても、合焦を得るまでにその結果は変ら
ない。従って輝度レベルを検出し利得制御を行なえばあ
とは、高域周波数成分はコントラストによるダイナミッ
クレンジ２０数〔dB〕だけを有することになる。この程
度のダイナミックレンジなら、利得制御なしもしくは１
段程度で実現できる。高域周波数利得制御回路１７はこ
の部分の利得制御をするものである。いま、高域周波数
利得制御回路１７は１段の制御段階をもっているとす
る。

本実施例によれば利得制御の回数は画像がボケた状態か
ら合焦に至るまでの間にどんな広範囲な被写体を撮像し
ても、最大限１回である。この程度の利得制御回路であ
れば、応答速度は利得制御の際にモータを止めたとして
も劣化することなく、従来の自動焦点整合装置に比し飛
躍的に応答速度が向上する。

以上のように本実施例によれば高域周波数成分のレベル
を検出し利得制御するとともに、輝度レベルを検出し利
得制御することによって、合焦を得るまでの間の利得制
御回路を大幅に減らし、応答速度を格段に向上するもの
である。また、画像を大きくボケて十分な高域周波数成
分が得られず、例えばレンズの焦点整合装置をサーチす
る場合、輝度レベルで利得制御することによって十分な
基準周波数成分を得られない小さい高域周波数成分で切
換ることを防げる。

以下本発明の第２の実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。

第６図は本発明の第２の実施例を示す自動焦点整合装置
のブロック図である。

同図において、１８は輝度レベル差検出回路１９の出力
によって利得制御する利得制御回路である。輝度レベル
差検出回路１９は輝度レベルの変化の差分、すなわち
(2)式のV_max-V_minに相当するものを検出する輝度レベル
差検出回路で、例えば最大値と最小値を検出しその差を
求めるものである。

上記のように構成された第２の実施例の自動焦点整合装
置について、以下その動作を説明する。

輝度レベル差検出回路１９は前述したように(2)式のV
_max-V_minを検出するものであり、前記検出結果から利得
制御するならば(2)式から明らかなように他の利得制御
を一切必要としない。一方前述したように輝度レベルは
焦点整合状態に何ら関係しない。従って、本実施例によ
れば、予め必要な利得制御を実施できモータを駆動して
焦点整合状態を得るまでの間に、利得制御を受けること
はない。応答速度は利得制御に伴うモータの停止がなく
なるため、格段に向上する。

以上のように、本実施例によれば輝度レベルの変化の差
分を検出し利得制御することにより、焦点整合のためモ
ータを駆動する間に何ら他の利得制御を必要とせず、応
答速度を飛躍的に向上するものである。

なお、本発明は撮像素子の受光面に結像している被写体
像を周期的，光学的にボカし、前記ボケに対応する信号
を前記雪像素子より得られる映像信号より検出し、前記
映像信号の高域周波数成分の振幅が最大になるように、
レンズの焦点整合装置を駆動する自動焦点整合装置にお
いて述べたが、それだけに制限されるものでなく、撮像
素子より得られる映像信号の高域周波数成分を検出し、
その振幅が最大になるようにレンズの焦点整合装置を駆
動する自動焦点整合装置全てに適用できるものである。
例えば、高域周波数成分が増加する方向にレンズの焦点
整合装置を駆動して高域周波数成分がピークになる点を
検出する山登り制御方式の自動焦点整合装置において
も、当然高域周波数成分は広範なダイナミックレンジを
有しており利得制御が必要になる。そして、速くかつ誤
動作なくピークを検出するには、モータ駆動開始から合
焦位置に達するまで利得制御が少ないほどよく、従っ
て、本発明は効果的役割をするものである。

また、撮像面に結像している被写体像を周期的，光学的
にボカす方法は何ら従来例に拘来されることはない。

また、第１の実施例において、輝度利得制御回路１５は
前置増幅器３の後、高域周波数利得制御回路１７は輝度
利得制御回路１５の後としたが、これらの位置は、回路
が飽和するなどして系が正常に動作しない状態を発生し
なければ何ら制約がなくこれらを一つにまとめてもよ
い。

また、輝度レベル検出回路１６は利得制御を受ける前の
輝度レベルの最大値を検出しているが、利得制御を受け
た後の輝度レベルが所定のダイナミックレンジ内かを検
出しても同じ効果が得られる。

さらに、高域周波数レベル検出回路９も高域周波数利得
制御もしくは何ら利得制御を受けていない高域周波数成
分のレベルを検出するものであってもよい。

発明の効果 本発明の自動焦点整合装置は映像信号の振幅すなわち輝
度のレベル検出回路を受けることにより、応答速度を飛
躍的に向上することができその実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動焦点整合装置のブロック図、第２図
はモータの駆動方向を検出する原理を説明するための原
理図、第３図は高域周波数成分のダイナミックレンジの
広さを説明するための図、第４図はモータを合焦方向へ
駆動した時の利得制御による高域周波数成分の変化を示
す図、第５図は本発明の第１の実施例における自動焦点
整合装置のブロック図、第６図は本発明の第２の実施例
における自動焦点整合装置のブロック図である。 １……レンズ、２……撮像素子、３……前置増幅器、７
……高域周波数成分検出回路、９……高域周波数レベル
検出回路、１１……基準周波数成分検出回路、１２……
同期検波回路、１４……モータ、１５……輝度利得制御
回路、１６……輝度レベル検出回路、１７……高域周波
数利得制御回路、１８……利得制御回路、１９……輝度
レベル差検出回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像光学系の光路長を基準周波数で周期的
   に変化させる光路長可変手段と、映像信号中の高域周波
   数成分のレベルによりその利得を段階的に制御される高
   域周波数成分信号増幅器と、前記高域周波数成分信号増
   幅器出力より前記基準周波数成分を検出し、この基準周
   波数成分信号によりレンズの焦点整合装置を駆動するレ
   ンズ駆動手段を有し、かつ前記高域周波数成分信号増幅
   器の前段に映像信号レベルを検出して段階的に利得制御
   される広帯域増幅器を有した事を特徴とする自動焦点整
   合装置。
2. 【請求項２】入力映像信号として水平方向走査による映
   像信号または垂直方向の差信号を用いる事を特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の自動焦点整合装置。