JPH0644807B2 - オートフオーカスビデオカメラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、撮像素子から得られる映像信号を基に、焦点
の自動調整を行うオートフオーカス機構と、ズーム機構
を有する撮像装置に関する。

(ロ)従来の技術 ビデオカメラのオートフオーカス装置において、撮像素
子からの映像信号自体を焦点制御状態の評価に用いる方
法は、本質的にパララツクスが存在せず、また被写界深
度の浅い場合や遠方の被写体に対しても、正確に焦点が
合せられる等優れた点が多い。しかも、オートフオーカ
ス用の特別なセンサも不必要で機構的にも極めて簡単で
ある。

この方式のオートフオーカス回路は、基本的には特開昭
６０−１０３７７６号公報（H04N5／232）に開示される
様な山登りサーボ方式と呼ばれる制御方法にてフオーカ
スモータを制御する。即ち、撮像映像信号中の特に輝度
信号の高域成分１フイールド分を焦点評価値として検出
し、この焦点評価値を１フイールド前のものと常時比較
し、極大値をとる様に常にフオーカスモータを微小振動
させ続けるものである。

また、実開昭６０−１３５７１２号（G02B7／11）に見
られる様にフオーカスリングを一方向に駆動して評価値
が増加傾向から減少傾向に転じる点を極大点として、こ
の点にフオーカスリングを戻して停止させるものもあ
る。

この極大点の検出に際しては、焦点評価値を１フイール
ド毎に比較し、その大きい方を常に最大値として記憶
し、この最大値から所定レベル（閾値）だけ落ち込んだ
ことが検出されると、この最大値を極大点と判断するこ
とにより為され、通常この閾値は予め設定された固定値
となっている。

また、一旦合焦状態となってフオーカスモータを停止さ
せた後に、被写体が移動して非合焦となり、フオーカス
動作を再開させる必要が生じた場合にも、焦点評価値を
用いてモータ再起動タイミングの決定を実行することが
一般に為されている。即ち、合焦状態に達した時点での
焦点評価値を記憶しておき、合焦後も常に焦点評価値を
算出して、記憶されている評価値と比較し、予め設定さ
れている閾値（これも固定値）以上に落ち込んだ場合
に、被写体が動いたと判断してフオーカス動作を再開す
るのである。

以上の様に焦点評価値を様々な閾値と比較演算してフオ
ーカス動作を行うことにより、高精度でしかも安定性に
優れたオートフオーカス機構が実現可能となる。

一方、通常のビデオカメラには、ズーム機構が装備され
ている。このズーム機構において、その被写界深度は各
ズーム領域、即ち変倍レンズであるズームレンズが望遠
（Tele）から広角（Wide）間のいずれの位置にあるかに
よって異なることは一般に知られている。即ちズームが
広角であれば被写界深度が深くなり、ズームが望遠であ
れば被写界深度が浅くなる。ここで被写界深度が深いと
いうことは、ピントを合わせた点から被写体が前後に多
少移動しても合焦点状態が維持され易いことを意味し、
浅ければ合焦点状態の維持が難しいことを意味する。

即ち、同一の被写体を撮像している場合に、望遠（Tel
e）領域、広角（Wide）領域及び両者の中間（Middle）
領域の各領域に応じて、焦点評価値とフオーカスレンズ
の位置との関係は第１７図、、の様に変化する。

(ハ)発明が解決しようとする問題点 従って、前述の如く焦点評価値及びその落ち込みを、様
々な基準値と比較して常に極大点にてフオーカスレンズ
を固定する様なオートフオーカス機構と、前述のズーム
機構を併用する場合に、前述の様にフオーカスレンズの
一定の変位量に対する焦点評価値の落ち込みは、広角第
１７図の場合に小さく、望遠第１７図の場合に大き
くなるため、基準値が固定値である、即ち焦点評価値に
対するフオーカスモータの応答特性が固定のものである
と、望遠に比べ広角の場合に焦点評価値の落ち込み検出
に時間を要し、迅速なオートフオーカス動作が困難とな
る。

(ニ)問題点を解決するための手段 本発明は、ズーム領域に応じて、焦点評価値に対するフ
オーカスモータの応答特性を変化させることを特徴とす
る。

(ホ)作用 本発明は上述の如く構成したので、ズーム領域に関係な
く、迅速で安定なオートフオーカス動作が為される。

(ヘ)実施例 以下、図面従い本発明の第１実施例について説明する。

第２図は本実施例装置のズームリング部分の構造を示す
図である。

ビデオカメラ本体の前方に突出したレンズ鏡胴部(51)に
は変倍レンズ（ズームレンズ）（図示省略）を支持する
ズームリング(52)がラジアル方向に回転自在に配設さ
れ、このズームリング(52)がズームモータ(61)に駆動さ
れて回転することにより、変倍レンズは光軸方向に進退
し、望遠側及び広角側に移動することになる。

ズームリング(52)の外周前端には、前方への突出量が異
なる第１乃至第３段部（５３ａ）（５３ｂ）（５３ｃ）
が連設されたカム部(53)が一体成形され、このカム部(5
3)に作動片（５４ａ）が当接する様に位置検出スイツチ
(54)がレンズ鏡胴部(51)に固定されている。位置検出ス
イツチ(54)は３段階切換式であり、作動片（５４ａ）が
第１乃至第３段部（５３ａ）（５３ｂ）（５３ｃ）に夫
々当接状態となることにより３段階に切換わる。この位
置検出スイツチ(54)出力は後述の閾値設定メモリ(60)に
供給され、信号処理が為される。

第１図は本実施例装置の回路ブロツク図である。レンズ
(1)によって結像された画像は、ＣＣＤ（撮像素子）を
有する撮像回路(4)によって輝度信号となり、焦点評価
値発生回路（焦点評価値検出手段）(5)に入力される。

焦点評価値発生回路(5)の構成は、例えば第４図に示す
様に構成される。映像信号より同期分離回路（５ａ）に
よって分離された垂直同期信号（ＶＤ）、水平同期信号
（ＨＤ）はサンプリングエリアを設定するためにゲート
制御回路（５ｂ）に入力される。ゲート制御回路（５
ｂ）では、垂直同期信号（ＶＤ）、水平同期信号（Ｈ
Ｄ）及び固定の発振器出力に基づいて、画面中央部分に
長方形のサンプリングエリアを設定し、このサンプリン
グエリアの範囲のみの輝度信号の通過を許容するゲート
開閉信号をゲート回路（５ｃ）に供給する。

ゲート回路（５ｃ）によってサンプリングエリアの範囲
内に対応する輝度信号のみが、H.P.Ｆ（５ｄ）を通過し
て高域成分のみが分離され、次段の検波回路（５ｅ）で
振幅検波される。この検波出力は積分回路（５ｆ）でフ
イールド毎に積分されて、Ａ／Ｄ変換回路（５ｇ）にて
デイジタル値に変換されて現フイールドの焦点評価値が
得られる。

(16)はスイツチ回路であり、切換制御回路(23)により切
換制御が為され、端子（１６ａ）側に切換られている場
合には、後述の第１フオーカスモータ制御回路(15)出力
にてフオーカスモータ(3)が制御され、端子（１６ｂ）
側に切換られている場合には後述の第２フオーカスモー
タ制御回路(17)出力にて制御される。尚、オートフオー
カス動作開始直後は端子（１６ａ）側に切換っている。

オートフオーカス動作開始直後に、最初の焦点評価値は
最大値メモリ(10)と初期値メモリ(11)に保持される。そ
の後、第１フオーカスモータ制御回路(15)は、フオーカ
スモータ(3)を予め決められた方向に回転せしめ第２比
較器(13)出力を監視する。第２比較器(13)は、フオーカ
スモータ駆動後の焦点評価値と初期値メモリ(11)に保持
されている初期評価値を比較し、その大小を出力する。

第１フオーカスモータ制御回路(15)は、第２比較器(13)
出力が大または小という出力を発するまで最初の方向に
フオーカスモータ(3)を回転せしめ、現在の評価値が初
期評価値よりも大であるという出力が為された場合に
は、そのままの回転方向に保持し、現在の評価値が初期
評価値より小である場合にはフオーカスモータ(3)の回
転方向を逆転して、次に第１比較器(12)の出力を監視す
る。尚、第２比較器(13)は評価値の雑音による誤動作を
防止するために、初期評価値と現在の焦点評価値の差
が、所定値を越えない間は大・小の出力を発せず同じで
あるという出力を発する様にしてもよい。

第１比較器(12)は最大値メモリ(10)に保持されている今
までで最大の評価値と現在の評価値を比較し、現在の評
価値が最大メモリ(10)の内容に比べて大きい（第１モー
ド）、同じまたは僅かに小さい（第２モード）、及び後
述の閾値設定メモリ(60)から出力される閾値を越える程
に最大値メモリ(10)の内容に比べて小さい（第３モー
ド）の３通りの比較結果を出力する。ここで最大値メモ
リ(10)は、第１比較器(12)出力に基いて、現在の評価値
が最大値メモリ(10)の内容より大きい場合にその値が更
新され、常に現在までの評価値の最大値が保持される。

閾値設定メモリ(60)には第１乃至第３閾値（Ｎ１）（Ｎ
２）（Ｎ３）が予め記憶されており、位置検出スイツチ
(54)出力に基いて前述の３種類の閾値データを選択的に
出力する。即ち、ズームリング(52)が広角側に位置して
第１段部（５３ａ）に作動片（５４ａ）が当接状態とな
り第３図の実線(A)で示す第１位置にある場合には、端
子(55)(56)が導通し、閾値設定メモリ(60)の入力端子
（６０ａ）（６０ｂ）には夫々“Ｈ”“Ｌ”の回転位置
情報が供給され、これを受けて閾値設定メモリ(60)は第
１閾値（Ｎ１）を出力する。ズームリング(52)が第２図
・第３図の矢印Ｘ方向である望遠側に回転すると、作動
片（５４ａ）はカム部(53)を摺動して第２段部（５３
ｂ）に当接し、第３図の点線(B)に示す第２位置に移行
し、端子(56)(57)が導通し、閾値設定メモリ(60)の入力
端子（６０ａ）（６０ｂ）には夫々“Ｈ”“Ｈ”の回転
位置情報が供給され、これを受けて閾値設定メモリ(60)
は第２閾値（Ｎ２）を出力する。更に、ズームリング(5
2)が望遠側に回転すると、作動片（５４ａ）は第３段部
（５３ｃ）に当接し、第３図点線(C)に示す第１位置に
移行し、端子(56)(57)が導通し、閾値設定メモリ(60)の
入力端子（６０ａ）（６０ｂ）には夫々“Ｌ”“Ｈ”の
回転位置情報が供給され、これを受けて閾値設定メモリ
(60)は第３閾値（Ｎ３）を出力する。

(14)はレンズ(1)を支持するフオーカスリング(2)の位置
を指示するフオーカスリング位置信号を受けて、フオー
カスリング位置を記憶するモータ位置メモリであり、最
大値メモリ(10)と同様に第１比較器(12)の出力に基い
て、最大評価値となった場合のフオーカスリング位置を
常時保持する様に更新される。

第１フオーカスモータ制御回路(15)は、第２比較器(13)
出力に基いて決定された方向にフオーカスモータ(3)を
回転させながら、第１比較器(12)出力を監視し、評価値
の雑音による誤動作を防止するために、第１比較器(12)
出力にて現在の評価値が最大評価値より閾値設定メモリ
(60)より出力される閾値を越える程に小さいという第３
モードが指示されると同時にフオーカスモータ(3)は逆
転される。

このフオーカスモータ(3)の逆転のタイミングを第１４
図乃至第１６図を参照にして詳述する。尚、第１４図乃
至第１６図はズームが広角域、中間域、望遠域でのフオ
ーカスレンズ位置と焦点評価値の関係を示す特性図であ
る。変倍レンズが広角側にある場合には、被写界深度が
深くなるため、フオーカスレンズ位置に対する焦点評価
値の変動が小さくなるが、閾値設定メモリ(60)から出力
されている第１閾値（Ｎ１）は極めて小さく設定されて
いるため、第１４図の如く合焦位置(P)から距離（△
ｌ）だけ行き過ぎた点(Q)にて逆転することになる。変
倍レンズが広角と望遠の中間にある場合には、閾値設定
メモリ(60)から出力される第２閾値（Ｎ２）は第１閾値
（Ｎ１）よりも大きく設定されているため、第１５図の
如く合焦位置(P)から距離（△ｌ）だけ行き過ぎた点
(Q′）にて逆転することになる。変倍レンズが望遠側に
ある場合には、被写界深度が浅くなるため、フオーカス
レンズ位置に対する焦点評価値の変動が大きくなるが、
この時閾値設定メモリ(60)から出力される第３閾値（Ｎ
３）は第１及び第２閾値（Ｎ１）（Ｎ２）よりも大きい
ため、第１６図の如く合焦位置(P)から距離（△ｌ）だ
け行き過ぎた点(Q″）にて逆転することになる。上述の
様に第１乃至第３閾値（Ｎ１）（Ｎ２）（Ｎ３）にＮ１
＜Ｎ２＜Ｎ３の関係をもたせることにより、広角域、中
角域、望遠域とズーム領域が変化しても、いずれも合焦
位置から距離（△ｌ）だけ行き過ぎた点でフオーカスモ
ータ(3)は逆転可能となる。

この逆転後、モータ位置メモリ(14)の内容を現在のフオ
ーカスリング位置信号とが第５比較器(30)にて比較さ
れ、一致した時、即ちフオーカスリング(2)が焦点評価
値が最大となる位置に戻った時にフオーカスモータ(3)
を停止させる様に第１フオーカスモータ制御回路(15)は
機能する。同時に第１フオーカスモータ制御回路(15)は
レンズ停止信号（ＬＳ）を出力する。

切換制御回路(23)はこのレンズ停止信号（ＬＳ）を受け
てスイツチ回路(16)を端子（１６ｂ）側に切換えて、以
後、第２フオーカスモータ制御回路(17)出力にてフオー
カスモータ(3)を制御する。

次に第２フオーカスモータ制御回路(17)による制御につ
いて説明する。尚、この第２フオーカスモータ制御回路
(17)はマイクロコンピユータにて構成されているため、
内部動作は第５図のフローチヤートに示す如くになる。

まずフオーカスモータ(3)の回転方向の初期化が為され
て、とりあえずフオーカスモータ(3)は予め設定されて
いる回転方向に切換えられ、その回転方向が内部に保持
される（手順(a)）。その後、現在の焦点評価値を第３
メモリ(19)に基準値として保持する（手順(b)）。そし
てフオーカスモータ(3)を保持された方向に微小量回転
させる（手順(c)）。この回転に伴ってレンズ(1)は微小
量（△Ｔ）（△Ｔ：１単位とする）だけ初期設定された
方向に変位することになる。この変位後、第３比較器(1
8)にて現在の焦点評価値と第３メモリ(19)に保持された
基準値との比較が為され（手順(d)）、現在の評価値の
方が小さければ、現在内部で保持されている微小変位方
向とは逆に２単位変位される（手順(e)）。ここで再び
第３比較器(18)により第３メモリ(19)の基準値と現在の
焦点評価値との比較が為され（手順(f)）、現在の評価
値の方が小さければ、再び変位方向を逆転して１単位戻
る様にフオーカスモータ(3)が回転する（手順(g)）。つ
まり、この場合、第１フオーカスモータ制御回路(15)に
よるオートフオーカス動作にて停止されたレンズ位置か
ら、前後に画像に影響を与えない様に微小にレンズを変
位させ、最初に停止していたレンズ位置での焦点評価値
が極大であることを確認して元の停止位置までレンズを
戻して待機状態となる。

この時のフオーカスモータ(3)及びレンズ(1)の動きを第
６図及び第７図に示す。ここで第６図は縦軸に初期化さ
れた回転方向を、横軸に時間をとる。また第７図は縦軸
に焦点評価値を、横軸にレンズ位置（レンズとＣＣＤと
の距離）をとる。尚、微小変位量（△Ｔ）は第１フオー
カスモータ制御回路(15)によるレンズの変位に比べ極め
て微小であり、画像に影響を与えない程度のものであ
る。

次に第１フオーカスモータ制御回路(15)により停止せし
められたレンズ位置が、極大点より僅かにずれていた場
合について説明する。

第１フオーカスモータ制御回路(15)によるレンズ停止
後、第２フオーカスモータ制御回路(17)は前述と同様に
フオーカスモータ(3)の回転方向の初期化を行い、動か
すべき方向を保持して第３メモリ(19)の基準値を更新
し、フオーカスモータ(3)を保持方向に僅かに回転せし
めてレンズ(1)を１単位変位せしめ、現在の焦点評価値
と基準値との比較を行うが、第１フオーカスモータ制御
回路(15)による停止点が焦点評価値の極大点からずれて
いるために停止点から正・負方向に微小変位させた時に
焦点評価値のいずれかが基準値よりも大きくなってしま
う。そこで第５図の手順(d)(f)のいずれかの比較結果が
“ＮＯ”となり、手順(h)に移行する。手順(h)の比較に
おいて“ＹＥＳ”は後述する様に停止点が極大点から大
きくずれている場合に対応するものであり、最初は“Ｎ
Ｏ”を選択し(A)に戻る。ここで停止点よりも評価値が
大きくなった微小変位点を基準として、この位置での焦
点評価値を基準値として第３メモリ(19)の値を更新し、
前述の動作を繰り返す。この繰り返しにより第１フオー
カスモータ制御回路(15)による停止点と焦点評価値の極
大点とのずれが修正されることになる。この場合のフオ
ーカスモータ(3)及びレンズ(1)の動きを第８図乃至第１
１図に示す。

第８図及び第９図は初期化された方向で評価値が大きく
なった場合を示し、レンズ位置が２単位分ＣＣＤから離
れる（図では右方向に変位する）ことにより極大点に達
しており、ＳＴＥＰ(3)〜(5)は第６図及び第７図のＳＴ
ＥＰ(1)〜(3)と同一の動作となる。また、第１０図及び
第１１図は初期化されたのとは逆方向で評価値が大きく
なった場合を示し、レンズ位置が２単位分ＣＣＤに接近
する（図では左方向に変位する）ことにより極大点に達
しており、ＳＴＥＰ(4)〜(6)は第６図及び第７図と逆極
性ではあるが同一の動作である。

以上の如く、第２フオーカスモータ制御回路(17)によっ
てもレンズ(1)は焦点評価値の極大点に達するが、画面
に影響を及ぼさない様に一回に微小の変位しかできない
ために、第１フオーカスモータ制御回路(17)による停止
点が焦点評価値の極大点から大きくずれている場合に
は、ずれの修正に時間がかかり、良好なオートフオーカ
ス動作は期待できなくなる。

そこで、手順(h)にて極大点が停止点より所定量以上ず
れているか否かを判定する。即ち微小変位による修正が
Ｎ回以上為されたか否か、つまりＮ単位以上レンズ位置
が変位したか否かを判定する。従って、前述の様なレン
ズ位置の微小な修正で、最初の停止点よりいずれの方向
にもＮ単位を越えない場合は、第５図(A)に飛び、現在
のレンズ位置を評価値を基準としてピントの微調を続け
る。

しかし、手順(h)の判断でレンズ(1)が最初の停止点より
いずれかの方向にＮ単位以上動いている場合には、第２
フオーカスモータ制御回路(17)は不合焦確認信号を出力
し、ＯＲ回路(22)を通じて切換制御回路(23)に入力され
る。第１２図及び第１３図には最初に停止点が極大点よ
りもレンズがＣＣＤに接近する方向にＮ（例えばＮ＝
６）単位以上ずれている場合を示しており、第５図の
(A)→手順(h)のループを７回繰り返した様子が示されて
いる。

不合焦確認信号を受けて切換制御回路(23)は、スイツチ
回路(16)を再度端子（１６ａ）側に切換えて、第２フオ
ーカスモータ制御回路(17)に代えて第１フオーカスモー
タ制御回路(15)出力によりフオーカスモータ(3)の制御
を為し、大きなレンズ変位によるすばやいオートフオー
カス動作が為される。

(20)は第１フオーカスモータ制御回路(15)によるオート
フオーカス動作が終了して、レンズ停止信号（ＬＳ）が
発せられると同時にその時点での焦点評価値が保持され
る第４メモリであり、後段の第４比較器(21)でこの第４
メモリ(20)の保持内容は現在の焦点評価値と比較され、
その差が所定値（再起動基準値）より大きくなった場合
には、被写体が変化したとしてＯＲ回路(22)に被写体変
化信号が出力される。この信号はＯＲ回路(22)を経て切
換制御回路(23)に入力され、スイツチ回路(16)を端子
（１６ａ）側に切換え、第１オートフオーカス動作をや
り直して被写体の変化に追従する。

尚、第２フオーカスモータ制御回路(17)によって、第１
フオーカスモータ制御回路(15)による停止点が極大点で
あると確認された場合には、第４比較器(21)によって被
写体が変化したと判断されるまでフオーカスモータ(3)
は停止しつづけるが、第４比較器(21)による比較結果に
かかわらず、ある時間間隔で第２フオーカスモータ制御
回路(17)による極大点の確認を間欠的に繰り返し行うよ
うに為せば、一層確実性が増すことは言うまでもない。

前述の如く構成することにより、第１フオーカスモータ
制御回路(15)によってすばやいオートフオーカス動作を
行ってレンズを停止し、被写体の激しい動き等により合
焦点でない位置でレンズが停止しても、第２フオーカス
モータ制御回路(17)によってレンズ位置が微調され、ま
た大きくずれている場合には、再び第１フオーカスモー
タ制御回路(15)によってすばやいオートフオーカス動作
が再開され、更に第４比較器(21)によって被写体に変化
があったと判断される場合にも、第１フオーカスモータ
制御回路(15)による制御のやり直しが為される。また真
の合焦点で停止している場合には、レンズの動きは第２
フオーカスモータ制御回路(17)による微小変位のみで画
像への影響は極めて小さい。

また、上述の如く構成することにより、簡単な機構にて
ズームレンズのズーム領域が検出できると共に、このズ
ーム領域が変化しても合焦点位置の検出が迅速に行なわ
れ有用である。

また、上記実施例においては、便宜上ズーム領域をTEL
E、WIDE、MIDDLEの３領域に分割しているが、この領域
分割は撮像光学系の解像度、焦点深度、撮像回路のＳ／
Ｎ比によっても影響されるのものであり、必ずしも上記
実施例に限るものではない事は明らかであろう。

(ト)発明の効果 以上の如く本発明に依れば、フォーカスレンズが合焦点
を一旦通過した後、その合焦点に反転復帰するようにし
た方式のオートフォーカスビデオカメラにおいて、ズー
ムレンズのズーム位置に関係なく、常に迅速で、誤動作
がなく、しかも、合焦精度の高い安定したオートフォー
カス動作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第１６図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は回路ブロツク図、第２図はレンズ鏡胴部の側面図、
第３図は位置検出スイツチの説明図、第４図は焦点評価
値発生回路の回路ブロツク図、第５図はフローチヤー
ト、第６図・第７図は合焦確認の動作説明図、第８図、
第９図、第１０図、第１１図は停止点が極大点より僅か
にずれている場合の説明図、第１２図第１３図は大き
くずれている場合の説明図、第１４図・第１５図・第１
６図は広角域・中間域・望遠域での焦点評価値の特性
図、第１７図はズームリング位置に対する焦点評価値の
変化を示す特性図である。 (52)…ズームリング（ズーム機構）、(5)…焦点評価値
発生回路（焦点評価値検出手段）、(1)…フオーカスレ
ンズ、(3)…フオーカスモータ（フオーカスレンズ変位
手段）、(60)…閾値設定メモリ（応答特性切換手段）、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像素子から得られる輝度信号の高域成分
   レベルを焦点評価値として検出する焦点評価値検出手段
   と、 望遠から広角まで変化する撮像用ズームレンズのズーム
   位置を検出するズーム位置検出手段と、 前記焦点評価値に基づいてフォーカスレンズを移動させ
   るフォーカスモータと、 前記焦点評価値が最大値となるときの前記フォーカスモ
   ータのモータ位置を記憶するモータ位置メモリと、 前記焦点評価値が最大値に一旦達した後、予め設定した
   閾値以上減少した時に前記フォーカスモータを逆転させ
   るフォーカスモータ制御回路と、 前記フォーカスモータの逆転時に現在のモータ位置が前
   記モータ位置メモリの値と一致した時に上記モータを停
   止させる手段と、 前記閾値を広角側の場合は大きく、望遠側の場合は小さ
   くするよう前記ズーム位置に応じて切換える手段と、 を備えるオートフォーカスビデオカメラ。