JPH0619492B2 - 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た電気信号の高
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
ーと伴にその需要が急速に伸びている。自動焦点整合装
置はビデオカメラの取扱いを簡便にし、より一層の普及
に貢献するものである。

従来の自動焦点整合装置の一例として赤外線を被写体に
受けて発射し、被写体より反射した赤外線を受光し、前
記受光角度より被写体までの距離を測定し、前記測定距
離に応じてレンズの焦点整合装置を所定の位置に駆動す
るものがある。前記方式は、被写体までの距離を正確に
測定し、前記測定結果に応じてレンズの焦点整合装置を
所定の位置に駆動するためには高い組立精度が必要であ
った。また被写体に発射し反射した赤外線を受光するた
めに、遠い被写体は不得手であり、また消費電力も少な
くなかった。

自動焦点整合装置の他の方式として、撮像素子の撮像面
に受光している被写体像を、周期的光学的にボカし、前
記ボケを検出し、前記ボケの振幅と位相により撮像素子
より得られる信号の高域周波数成分が最大になる様に、
レンズの焦点整合装置を駆動するものがある。前記方式
は、撮像素子より得られる信号そのものを利用し、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して
おり、高い組立精度を必要とせず、被写体までの距離を
影響を受けることなく、また消費電力も少ない。

以下に従来の前述した方式の自動焦点整合装置について
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の一例を
示すものであり、１はレンズ、２は撮像面に結像してい
る被写体の光学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は前置増幅器の出力信号に種々の処理を加え、テレビ
ジョン信号にするプロセス回路、５はプロセス回路４や
撮像素子駆動回路６に同期信号やブランキング信号等を
供給する同期信号発生器である。７は撮像素子より得た
電気信号の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１ＭHzのバンドパスフィル
タである。８は前記高域周波数成分より基準周波数成分
を検出する基準周波数成分検出回路である。９は基準周
波数発生器で、基準周波数を同期検波回路１０に供給す
るとともに、モータ駆動回路１１に供給し、レンズ１の
焦点整合装置をモータ１２で基準周波数で微変動させ、
レンズ１のフォーカスを目に検知できない程度に変化さ
せ、前記変化によって高域周波数成分に含まれる基準周
波数成分を高域周波数検出回路７、基準周波数成分検出
回路８で検出し、前記基準周波数成分の振幅と位相を基
準周波数によって同期検波回路１０で検出し、前記検出
信号をモータ駆動回路１１に加え、撮像素子２より得ら
れる電気信号の高域周波数成分が最大になる様にモータ
１２を駆動する。

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第２図を用いて説明する。

第２図において横軸はレンズ１の焦点整合装置の位置を
示しており、近は近距離の被写体に焦点が合う位置であ
り、遠は遠距離の被写体に焦点が合う位置である。縦軸
は高域周波数成分を示している。いま、被写体までの距
離がＤとする。レンズ１の焦点整合装置が前記距離Ｄに
対応した位置Ｄ_１にある時、焦点が整合し撮像素子２よ
り得られる電気信号の高域周波数成分は最大となり、前
記位置Ｄ_１より近距離側、遠距離側のいずれにずれても
減少する山型特性となり第２図に示す様になる。ａ_１，
ａ_２はモータの基準周波数での微変動により焦点整合装
置の動きを示している。ａ_１はレンズの焦点整合装置が
Ｄ_１より近距離側にある場合のモータの微変動を示して
おり、この時高域周波数成分は前記微変動によるフォー
カス変化によってｂ_１のような振幅変調を受ける。ａ_２
はＤ_１より遠距離側にある場合で、この時高域周波数成
分はｂ_２のような振幅変調を受ける。前記ｂ_１，ｂ_２の
振幅変調は第２図から明らかな様にレンズ１の焦点整合
位置が合焦点より近距離側にあるか遠距離側にあるかに
よって位相が反転する。従ってｂ_１の信号を基準周波数
信号で同期検波し、前記同期検波した信号でモータ１２
を矢印Ｃ_１の方向に駆動するなら、ｂ_２の信号では矢印
ｃ_２の方向に駆動されることになり、常に高域周波数成
分が最大になる点で安定することになる。

しかしながら上記のような構成では、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
の精度を要求しないなどの特徴を有するが、次の様な問
題点を有していた。

いま、光学レンズの焦点整合状態と空間周波数レスポン
スの関係について考える。点光源より発せられた光はレ
ンズによって焦点面で一点に集められるが、焦点面と撮
像素子の撮像面がずれている場合、第３図に示すように
等照度の半径ｒの円すなわち円形アパーチャが撮像面上
にできる。前記円形アパーチャを撮像素子によって第３
図に示す方向の一次元走査を行なった時に得られる空間
周波数に対するレスポンスは第４図のようになる。この
様に光学レンズは空間周波数に対するローパスフィルタ
となり、円形アパーチャの半径ｒに反比例して帯域幅が
変化する。しかしながら、そのレスポンスは、空間周波
数に対して一様に減少するものでなく、いくつかの零点
をもっている。一方、前述したように、光学レンズ系は
一種のローパスフィルタと考えられ、焦点整合状態によ
って一定距離の被写体に対してその帯域幅が変化するか
ら、しゃ断周波数付近の撮像素子２より得られる電気信
号の高域周波数成分の振幅が変化する。本実施例の方式
は、レンズの焦点整合装置をモータ１２で基準周波数で
微変動させることにより、円形アパーチャの半径を変化
させ、前述した高域周波数成分の変化を高域周波数成分
検出回路７、基準周波数成分検出回路８で得て、焦点整
合動作させている。ところが、前述した様に光学レンズ
系のアパーチャレスポンスは単調減少でなく、いくつか
の零点をもっている。従って、例えば高域周波数成分検
出回路７のバンドパスフィルタのレスポンス(1)の様な
場合、高域周波数成分検出回路７より得た信号振幅は、
第５図ａに示す様に円形アパーチャの半径の減少（ｒ_１
−ｒ_２）に対して単調に増加するが、レスポンス(2)の
場合、単調に変化せず、合焦点とは別の所に極大点また
は極小点をもつことになる。よって、極大点を境にし
て、第５図に示すようにモータの微変動による高域周波
数成分の変化の位相が、合焦点を境にした場合と同じ様
に位相が反転し、焦点整合装置は前記極大点で安定して
しまい、完全な誤動作を起こすという問題点を有してい
た。前記円形アパーチャレスポンスの零点は、円形アパ
ーチャ半径ｒによって移動し、バンドパスフィルタの中
心周波数がどの位置にあっても同様な誤動作を引起こす
ものである。

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、ビデオカ
メラの撮像素子より得た電気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システムにおいて、前述し
た光学系レンズのもつレスポンスによる誤動作をしない
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、撮像面に結像している被写体の光学的情報を
電気信号に変換する撮像素子より前記電気信号を得、前
記電気信号より複数の異なる周波数帯域を有する周波数
成分を検出し、前記複数の周波数成分のうち少なくとも
１つが増加する方向にレンズ焦点整合装置を駆動し、前
記複数の周波数成分のうち少なくとも１つが極大に達し
ても、他の周波数成分のうち少なくとも１つが増加する
なら、増加する方向にレンズ焦点整合装置を駆動し、前
記複数の周波数成分の振幅が最大となる様に前記レンズ
の焦点整合装置を駆動するシステムを構成する自動焦点
整合装置であり、複数の異なる周波数帯域を有する周波
数成分を検出することにより、光学系レンズのレスポン
スがもつ零点により、合焦点以外に極大点があっても前
述した様な誤動作を防止できるものである。例えば第５
図に示すように高域周波数成分検出回路のレスポンスが
第４図の(2)の形で、円形アパーチャの半径がｒ_１の位
置で極大となり誤動作の原因となっても、この時第４図
(1)のレスポンスによる第５図ａに示す高域周波数成分
の変化は単調であり誤動作を起こさない。すなわち、検
出する周波数帯域の異なる周波数成分は、同一の焦点整
合状態、円形アパーチャの半径で、極大点をもつことは
ない。従って、複数の異なる周波数帯域を有する周波数
成分を検出することによって、誤動作を防止できるもの
である。

実施例の説明 第６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６図において１
３，１４は異なる周波数帯域を有する周波数成分検出回
路で、例えば第４図で示したバンドパスフィルタ(1),
(2)である。１５，１６は前記周波数成分検出回路１
３，１４の出力信号に含まれる基準周波数成分を検出す
る基準周波数検出回路である。１７は基準周波数成分検
出回路１５，１６の出力信号を切換え同期検波回路１０
に供給するものである。周波数成分検出回路１４は周波
数成分検出回路１３に比べ検出周波数が高く、第５図
(b)に示す様に合焦精度が高いため、通常切換回路１７
は基準周波数成分検出回路１６を選択している。１８，
１９は基準周波数成分のレベル（振幅）を検出するレベ
ル検出回路で、例えば前記レベルとある基準値を比較し
て大小関係を出力するものである。２０は前記レベル検
出回路１８，１９の出力をもとに切換回路の選択を制御
するものである。

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。

いま、焦点が外れて円形アパーチャの半径がr₁より大き
い時を考える。この時モータ１２の微変動による周波数
成分検出回路１４の変化は、第５図(b)のｂ_３のように
なり、モータ１２はｃ_３の方向に動く。ところが、円形
アパーチャの半径がr₁になった時点で周波数成分検出回
路１４の出力は極大になり基準周波数成分の振幅が小さ
くなり、モータ１２は半径ｒ_１の点で安定しようとす
る。レベル検出回路１９は前記基準周波数成分の振幅の
変化を検出し、制御回路２０に伝達する。一方周波数成
分検出回路１３は、円形アパーチャの半径ｒ_１の点での
変化は第５図ａに示すように単調であり基準周波数成分
の振幅は小さくなく、そのことがレベル検出回路１８に
よって制御回路２０に伝達される。合焦点では、どちら
の周波数成分も極大に達し基準周波数成分の振幅は小さ
くなり、モータ１２が安定するから、前記の様な状態
は、円形アパーチャのレスポンスがもつ零点による誤動
作状態であることが容易に検出できる。制御回路２０は
切換回路１７の選択が基準周波数成分検出回路１５とな
る様にし、モータ１２は引き続きｃ_３の方向に動き合焦
点に達する。基準周波数成分検出回路１５の振幅は小さ
くなり、前記変化はレベル検出回路１８によって制御回
路２０に伝達される。制御回路２０は、合焦精度の高い
基準周波数成分検出回路１６を再び選択する様に切換回
路１７を制御する。

以上のように本実施例によれば、２つの周波数帯域の異
なる周波数成分を検出し、前記各周波数成文の基準周波
数成分の振幅を検出することにより、円形アパーチャの
レスポンスがもつ零点による誤動作状態であることが容
易に検出でき、現在誤動を起こしている周波数成分とは
異なる周波数成分を選択することによって誤動作を防止
することができる。

以下に本発明の第２の実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

第７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、２１は周波数成分検出回路１４の出力信
号を直流成分に変換する検波回路、２２は前記検波回路
２２の出力信号のレベル（振幅）を検出するレベル検出
回路で、例えばある基準値と比較しその大小関係を出力
する。２３はレベル検出回路１８，２２の出力をもとに
切換回路１７を制御する制御回路である。

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。

円形アパーチャのレスポンスがもつ零点による極大は、
ある程度焦点外れの状態であり、例えば第５図ｂの場合
周波数成分の振幅は基準値Ｖ_ｂより小さい。本実施例
は、検波回路２１、レベル検出回路２２によって、周波
数成分検出回路１４の出力信号の振幅が基準値Ｖ_ｂより
小さいことを検出し、その時は制御回路２３によって切
換回路１７は基準周波数成分検出回路１５の出力信号を
選択する。前記選択によって、極大点による誤動作する
ことなくモータ１２は合焦する方向に動く。やがて周波
数成分検出回路１４の出力は、基準値Ｖ_ｂを超え、その
事は検波回路２１、レベル検出回路２２によって検出、
制御回路２３に伝達され、合焦精度の高い基準周波数成
分検出回路１６の出力が選ばれる。また、例えば被写体
がコントラストのないもので、合焦時にも周波数成分検
出回路１４の出力信号の振幅が基準値Ｖ_ｂに達しない場
合でも、レベル検出回路１８によって基準周波数成分検
出回路１５の出力信号の振幅変化を検出し、合焦によっ
て前記信号振幅が小さくなった時には合焦精度の高い基
準周波数成分検出回路１６を選択するようにしている。

以上のように、本実施例によれば、極大点をもつ低レベ
ルでは異なる周波数帯域をもつ周波数成分を選択するこ
とにより、第１の実施例と同じ効果をもつことができ
る。

なお、本発明は撮像面に結像している被写体の光学的情
報を電気信号に変換する撮像素子より前記電気信号を
得、前記電気信号より高域周波数成分を検出し、前記高
域周波数成分が最大になるようにレンズの焦点整合装置
を駆動するものなら、どんなものにも適用できる。例え
ば単に高域周波数成分の増加する方向にレンズの焦点整
合装置を駆動し、最大となる所をさがす方式においても
同様な事が起こる。この場合も複数の異なる周波数帯域
を有する周波数成分を検出し、一つが極大に達しても、
他の周波数成分にまだ増加する方向があるなら、その方
向にレンズの焦点整合装置を駆動することによって誤動
作を防止できる。

また、第１または第２の実施例において、極大点や合焦
点の検出を基準周波数成分のレベルによって行なった
が、極大点や合焦点の前後で基準周波数成分の位相が反
転することや、周波数成分の振幅が減少することを利用
したものでもよい。

また、第２の実施例においてレベル検出回路１８を設け
たが、必ずしも必要ではなく、被写体が低コントラスト
の場合それほど高い合焦精度が要求されないので基準周
波数成分検出回路１５を選択したままでもよい。

また、第１，２の実施例を一部または全部組み合わせた
形のものでもよいことはいうまでもない。

また、第１，第２の実施例において基準周波数成分検出
回路を各周波数成分検出回路に設け、切換回路を基準周
波数成分検出回路の後に設けたが、複数の周波数成分検
出回路の後に切換回路を設け、その後に基準周波数成分
検出回路を設けてもよく、その時第１の実施例において
レベル検出回路は１個になり、各周波数成分を切換えて
基準周波数成分の振幅を検出することになるが、動作は
全く同じである。

また、第１，第２の実施例において２つの異なる周波数
帯域をもつ周波数成分を検出する場合について述べた
が、２つ限定されるものではなくいくつでもよいことは
言うまでもない。

発明の効果 本発明の自動焦点整合装置は撮像面に結像している被写
体像を電気信号に変換する撮像素子より前記電気信号を
得、前記電気信号より複数の異なる周波数帯域を有する
周波数成分を検出し、前記複数の周波数成分のうち少な
くとも１つが増加する方向にレンズの焦点整合装置を駆
動し、前記複数の周波数成分のうち少なくとも１つが極
大に達しても、他の周波数成分のうち少なくとも１つが
増加するなら、前記増加する方向にレンズの焦点整合装
置を駆動することにより、光学系レンズの円形アパーチ
ャレスポンスがもつ零点による誤動作を防止することが
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
は従来例の動作を説明するための原理図、第３図は光学
系レンズの円形アパーチャを説明するための図、第４図
は円形アパーチャのレスポンスを示す特性図、第５図ａ
−ｂは従来例の問題点を説明するための図、第６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７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、９……基準周波数発生
回路、１０……同期検波回路、１２……モータ、１３…
…周波数成分検出回路、１４……周波数成分検出回路、
１５……基準周波数検出回路、１６……基準周波数検出
回路、１７……切換回路、１８……レベル検出回路、１
９……レベル検出回路、２０……制御回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像面に結像している被写体の光学的情報
   を電気信号に変換する撮像素子より前記電気信号を得、
   前記電気信号より複数の異なる周波数帯域を有する周波
   数成分を検出し、前記複数の周波数成分のうち少なくと
   も１つが増加する方向にレンズの焦点整合装置を駆動
   し、前記複数の周波数成分のうち少なくとも１つが極大
   に達しても、他の周波数成分のうち少なくとも１つが増
   加するなら増加する方向にレンズの焦点整合装置を駆動
   し、前記複数の周波数成分の振幅が最大となる様に前記
   レンズの焦点整合装置を駆動するように構成した事を特
   徴とする自動焦点整合装置。
2. 【請求項２】複数の異なる周波数帯域を有する周波数成
   分のうち第１の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、前記第１の周波数成分が極大に達
   した後、第２の周波数成分が極大に達してなく増加する
   なら増加する方向にレンズの焦点整合装置を駆動する事
   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。
3. 【請求項３】複数の異なる周波数帯域を有する周波数成
   分のうち第１の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、前記第１の周波数成分が極大に達
   した後、第２の周波数成分が極大に達してなく増加する
   なら増加する方向にレンズの焦点整合装置を駆動し、前
   記第２の周波数成分が極大に達した後、再び第１または
   第３の周波数成分が増加する方向にレンズの焦点整合装
   置を駆動す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。