JPH0683387B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、撮像手段の出力信号によつて焦点検出を行
う装置に関し、とくにビデオカメラ等の高感度化に伴
い、高精度の焦点検出を行うことができる焦点検出装置
に関する。

（従来技術） 主としてビデオカメラに用いられる、映像信号中の輝度
信号から焦点検出を行ういわゆるTTL−受動方式の自動
焦点調節装置として、「NHK技術研究」第17巻第１号
（通巻第86号）（昭和40年発行）中の「山登りサーボ方
式によるテレビカメラの自動焦点調整」の論文をはじめ
として各種の方式が提案されている。これらの方式の多
くは、被写体の像が鮮鋭になるほど輝度信号中の高周波
成分が高くなる現象を利用し、なんらかの信号処理手段
によつてこの高周波成分を取り出し、これがピークにな
る位置を合焦とする原理によるものである。

ところで、後に詳細に説明するように、従来のビデオカ
メラでは、短焦点側で被写界深度が深くなるため、短焦
点側で遠近競合が起きる確率が高くても、後記第10図及
び第11図の24で示す程度の一定の測距視野を設定してい
たが、カメラの高感度化に伴い、短焦点側でも正確なピ
ントを得ることが必要になつて来ている。

（目的） この発明は、前述の問題点に対処するため、撮像手段の
出力信号によつて焦点検出を行う焦点検出装置におい
て、一定の測距視野のもとでは起こり勝ちであつた遠近
競合被写体による誤測距を減少し、高精度の焦点検出を
行うことができる手段を提供することを目的とする。

（実施例による説明） 以下図示の実施例を参照して上記の目的を達成するため
この発明において講じた手段について例示説明する。下
記の説明は、この発明を二次元イメージセンサの出力信
号中の輝度信号の高周波成分から焦点検出を行う方式の
焦点検出装置に適用した例について、従来の焦点検出装
置、この発明の焦点検出装置の一実施例の構成及びその
合焦プロセスの順序で行う。

（従来の焦点検出装置）（第１図〜第11図） 第１図〜第４図は、前述の輝度信号中の高周波成分がピ
ークになる位置を合焦とする原理を模式的に説明するも
のである。第１図は、白黒の縞をもつ被写体をビデオカ
メラで撮像する場合の結像面における像の状態を示して
おり、図中縦方向の線を引いた部分が黒の部分に対応し
ている。結像面で合焦時には同図（Ａ）のようになるの
に対し、非合焦時には同図（Ｂ）のように被写体の白黒
の境界がぼけた状態になる。第２図は、上記のそれぞれ
の状態におけるイメージセンサの出力中の輝度信号（Ｙ
信号）を示し、当然合焦状態（Ａ）が（Ｂ）に比べて位
置による出力差が大きい。すなわち、合焦に近づくほど
コントラストが高い。このＹ信号の処理手段については
いくつかの提案がされており、例えばこの信号を微分し
て絶対値化すると第３図（Ａ），（Ｂ）に示すように合
焦位置で微分信号のピークが最大になる現象を利用する
ものがある。さらにS/Nをよくするには、この微分信号
を２乗してから積分するという手段を採つてもよい。

第４図は、縦軸に上記のようにして検出された高周波成
分の出力を、横軸に撮影レンズのうち焦点調節に関与す
るレンズ群の停止位置を示すもので、図から明らかなよ
うに合焦位置Ａでは高周波成分がピークを示し、非合焦
位置Ｂではピークをはずれる。

第５図は、第１図〜第４図に示す焦点検出動作を実行す
るためのシーケンスの一例を示し、このシーケンスは、
この発明の焦点検出動作にもその一例として適用される
ものである。測距開始と同時に後述の手段により測距視
野に相当する部分のＹ信号がとり出され、でその高周
波成分が抽出される。次にで前記のレンズを微小量、
この例ではくりこむ方向へ駆動する（一般にくりこむこ
とにより遠方の被写体に合焦するようになる）。なお第
５図では「→Ｆ」の符号でレンズをくりこみ方向へ駆動
することを示し、「→Ｎ」の符号でくり出し方向へ駆動
することを示している。この状態でで再び高周波成分
がとり出される。測距開始時点でこのように２つのレン
ズ位置における高周波成分をとり出すのは、方向（前ピ
ンか後ピンか）を検知するためであり、でこれら２つ
の信号が比較される。

第６図は、前記の及びでそれぞれ抽出された高周波
成分Ａ及びＢの大小と焦点検出系の状態との関係を示す
ものであり、同図（Ａ）ではＡ＜Ｂであつて前ピンの状
態であるからレンズをさらにくりこむことを要し
（）、同図（Ｂ）ではＡ≒Ｂであるから合ピンとみな
すことができ（）、同図（Ｃ）ではＡ＞Ｂであつて後
ピンの状態であるからレンズをさらにくり出すことを要
する（）。このようにして方向検知した結果、レンズ
を駆動した新たな位置でにおいて再び高周波成分をと
り出し、駆動前の値と比較する（）。その際、今回の
値は次のサイクルでも比較に用いるのででサンプルホ
ールドし（S/H）、次回の高周波成分抽出時にとり出さ
れて比較に用いられる。このようにして、Ａ≒Ｂとなつ
た段階で合焦と判断してレンズの駆動を停止する。

第７図は、上記のＹ信号を取り出す手段を実際のカメラ
に組みこんだ例を示すものであり、図において10は撮影
レンズのうちで焦点調節に関与するレンズ群、11はズー
ム系を構成するレンズ群で通常バリエータレンズとコン
ペンセータレンズよりなり、12は結像系のレンズ群であ
る、13は例えばCCDよりなるイメージセンスタイプの固
体撮像素子、14はクロツク信号発生器、15は分周器、16
はCCD駆動回路、17は水平及び垂直同期信号発生器、18
はアナログゲート、19は自動焦点調節回路であつて具体
的には前述のように高周波成分によつて方向検知を行う
ものとする。20はマイクロプロセツサであつて、その指
令に基づきモータ駆動回路21が動作し、モータ22を駆動
する。

上記の構成において、クロツク信号発生器14が発生する
クロツク信号は、分周器15で分周されてNTSC又はPAL方
式等における標準テレビジヨン信号に基づいて１フイー
ルド1/60秒で画面を作り出すようにCCD13の１水平期間
の読み出しタイミングを定める信号が形成される。この
信号に基づきCCD駆動回路16によつて、CCD13上に蓄積さ
れた光情報が順次読み出される。読み出された信号は加
算回路17Aで同期信号が重畳され、さらに不図示の処理
回路で公知のように処理されて映像信号が形成される。

一方分周器15からは、あらかじめ定められた測距視野
（例えば第８図の24で示す位置）に対応する位置でのみ
ゲートを開くべき信号が同時に出力され、アナログゲー
ト18を経て、この部分のＹ信号のみが自動焦点調節回路
19へ送られる。以後の動作は前述のとおりである。

第９図は、第７図中のＤ〜Ｇの各位置での信号の一例を
示し、（Ｄ）はCCD13から読み出されたばかりの生の信
号を、（Ｅ）はこの信号に加算器17Aで同期信号が重畳
された信号を、（Ｆ）は自動焦点調節のための同期信号
を、また（Ｇ）は自動焦点調節のために取り出されたと
ころの測距視野24に相当する部分のＹ信号をそれぞれ示
している。

第10図及び第11図は、上記のように構成されたビデオカ
メラで被写体32を撮影した場合のフアインダ画面内の像
を示すもので、第10図は比較的長焦点よりの、第11図は
比較的短焦点よりの焦点距離で被写体32を撮影した場合
である。この図からも分かるように、一般的に、短焦点
距離で撮影している場合は画面内で被写体が占める割合
は、長焦点距離で撮影している場合よりも小さいことが
多い。また長焦点距離で撮影しても、被写体が小さい場
合は被写体距離が遠方であることが多い。これらのこと
を考え合わせると、第10図、第11図に示した程度の測距
視野24の位置を設定しておくと、長焦点側で撮影してい
るときは、遠近競合による誤測距が起こり難いが、短焦
点側ではこれが起こり易い。なお図中23は撮像視野を示
している。

一方、遠近競合を防ぐ目的で、第10図、第11図に示す測
距視野位置24をさらに小さく構成することもできるが、
この場合には、主として長焦点側で被写体のコントラス
トのない部分を測距する確率が高くなるので好ましくな
い。それで、従来のビデオカメラでは、短焦点側で被写
界深度が深くなることから、短焦点側で遠近競合が起き
る確率が高くても、前述の24で示した程度の大きさの測
距視野位置を設定している。しかしながら、カメラの高
感度化等に伴い、できれば短焦点側でも正確にピントを
得ることが必要になつて来ている。

さらに、第10図、第11図は、被写体距離の差であるとも
考えることができる。すなわち、第10図は、被写体が比
較的近距離にある場合であつて、測距視野24でとらえて
いる範囲は、ほとんどすべて被写体32であり、遠近競合
が起こらないが、被写体32が比較的遠距離にある場合
は、第11図のように遠近競合が起きる可能性がある。こ
の考え方においても、被写体距離が遠いほど被写界深度
が深くなるために、遠近競合が起きてもそれほど大きな
ぼけにはならないという考えでやはり第10図、第11図の
24で示す程度の大きさの測距視野が適当であるとされて
いた。しかしながら、上記の考え方においても撮影レン
ズが高倍率化し、Ｆ値が小さくなるに伴い、より高い測
距精度が必要になつて来る。

（この発明の焦点検出装置の一実施例の構成）（第12
図、第13図） この発明は、従来の焦点検出装置の前述の欠点を除去
し、一定の測距視野のもとでは起こり勝ちであつた遠近
競合被写体による誤測距を減少し、高精度の焦点検出を
行うことができるようにするものである。すなわち、従
来の装置の前述の欠点についてさらに検討すると、測距
視野が大きすぎれば遠近競合が起きる可能性があり、逆
に測距視野が小さすぎれば被写体のコントラストをうま
くとらえられない可能性があることが原因である。

そこで、この発明の実施態様によれば、撮影開始時又は
非合焦検出時には最小の測距視野にしておき、焦点検出
動作を可能にするだけの信号成分が撮像手段の出力から
得られないときは、測距視野を拡大するようにする。測
距視野の最小及び最大は設計意図によるが、例えば第12
図の視野25を最小の視野、第10図、第11図の視野24を最
大の視野とする。第11図と第12図とを比較すれば、被写
体32が遠距離又はワイドである等の理由で画面内で小さ
い場合は、第12図の測距視野25の方がまさつていること
は明らかである。

第13図は、この発明の焦点検出装置の一実施例を示し、
第７図の装置と基本的に同一の構成及び機能を有する部
分は、第７図と同一符号を付してその詳細な説明を省略
する。第13図中26はゲート制御回路の一例であるプログ
ラマブル・ロジツク・アレイ（PLA）であつて、測距視
野を選択する信号を制御する。撮影開始時点では、PLA2
6からのゲート信号は、第12図の25で示すような最小の
測距視野に対応する。そしてこの小さい測距視野内で
は、前ピン、後ピン等の方向検知ができない場合、すな
わちコントラストが得られない場合は、自動焦点調節回
路19に接続されたマイクロプロセツサ20は焦点検出が不
可能である旨の信号をPLA26にフイードバツクする。こ
こで焦点検出が不可能とは、第６図の高周波成分ＡとＢ
との差が実質的に生ぜず、かつＡ＋Ｂ又はＡもしくはＢ
がある一定レベルを超えない等の条件により、前ピン、
後ピン又は合ピンのどの状態をも検知できないことをい
う。

PLA26は上記の信号を受けてゲート18を開く時間を長く
する。このように、撮影開始時点では測距視野を最小
（例えば第12図の25）としておき、この視野では焦点検
出が不可能であれば、これが可能になるまで測距視野を
徐々に拡大するものである。

（この発明の焦点検出装置の一実施例の合焦プロセス）
（第12図〜第15図） 第14図は、第13図の実施例において合焦までの過程にお
いてＹ信号、ゲート信号及びゲートより取り出されたＹ
信号が変化する態様を示し、第15図は、同じくレンズ停
止位置と高周波成分出力との関係を示すものであつて、
同図において横軸は、第６図と同様に距離環の停止位置
であり、Ｎは合焦距離が至近端である最くり出し位置、
∞は最くりこみ位置を示し、縦軸は高周波成分のレベル
を示している。

先ず第14図（Ａ）は、撮影開始時点の測距視野を含む１
水平期間の映像信号を模式的に示しており、この場合被
写体は（領域ｅ）、第15図のｌの距離にあるが、それよ
り後方のｎの距離がコントラストの強い背景（領域ｆ）
であり、また撮影当初の距離環の停止位置は、ｍの距離
を合焦位置とする位置であつたとする。第14図（Ｂ）
は、この場合のPLA26から出力されるゲート信号を示
し、前述のようにゲート18のオンの期間が最小であつ
て、ゲート18から取り出される被写体のＹ信号はコント
ラストが全くないので方向検知ができず焦点検出が不可
能である。同図で示す測距視野による高周波成分は、第
15図の曲線103で表わされる。曲線103は、上記の測距視
野では被写体上のほとんどコントラストがない個所を検
出するのみであるため合焦近傍にのみ山登り曲線が現わ
れ、他の位置ではこれが現われないことを示している。
なお合焦近傍で山登り曲線が現われるということは、第
14図（Ａ）又は（Ｃ）のＹ信号では非合焦のために識別
できない小さいコントラストが実際には存在しているこ
とを示している。この場合レンズの停止位置は、第15図
のｍの位置にあるため第14図（Ｃ）のＹ信号より得られ
た高周波成分は第15図のＣ点で示す傾斜のないレベルに
あるから焦点検出は不可能である。

このような焦点検出不可の判断がされると、その旨を表
わす信号がマイクロプロセツサ20からPLA26に転送さ
れ、ゲート信号はオンの期間がより長くなる。第14図
（Ｄ）はこの場合のゲート信号を、同図（Ｅ）はこのゲ
ート信号の制御により取り出されるＹ信号を示してい
る。この新しい測距視野に対応する高周波成分が、第15
図では曲線102で示される。第14図（Ｅ）では、その両
端部でコントラスト部分をとらえているので、高周波成
分は第15図中Ｅで示すレベルになる。そしてこの位置で
は十分焦点検出が可能であるので、前述の自動焦点調節
系の動作によりレンズ10がくり出され、第14図（Ａ）に
おけるよりも幾分ピントが合つてくるため、Ｙ信号は同
図（Ｆ）のように背景のコントラストがなだらかにな
り、被写体部分のコントラストが鮮明になる。この測距
視野では焦点検出が可能であるので、PLA26は同図
（Ｄ）と同一のゲート信号を出力し、これにより取り出
されたＹ信号は同図（Ｇ）で示される。またこの位置で
の高周波成分出力は第15図中Ｇで示すレベルになる。

上記の動作のくり返しにより次のステツプで取り出され
たＹ信号で第14図（Ｉ）で示され、高周波成分は第15図
の曲線102の頂上Ｉで示すレベルになり、被写体に合焦
した位置であることが分かる。合焦状態において測距視
野を含む１水平期間のＹ信号は第14図（Ｈ）で示され、
同図（Ａ）と比べ被写体にピントが合つて背景がぼけた
ことが分かる。なおマイクロプロセツサ20は、いつたん
合焦状態に達した後に非合焦を検知したときは、再び最
小の測距視野（第12図の25）に戻し、前述の合焦プロセ
スをくり返すように制御する。

第15図の曲線101は、前述のような測距視野の調整をせ
ずに、つねに最大の測距視野で測距を行つた場合を示し
ており、曲線の山は被写体距離ｌと背景の距離ｎとの中
間までずれてしまつている。第11図に示す状態では、曲
線101のような誤測距をする可能性が大きいが、前述の
この発明の実施例によれば、被写体に検出可能なコント
ラストがある限り、正確な焦点検出を行うことができ、
測距系あるいは焦点調節系の精度が向上する。

前述の実施例は、撮像手段として二次元のイメージセン
サを使用し、その出力信号中の輝度信号の高周波成分に
よつて焦点検出を行うものであつたが、この発明におけ
る撮像手段は一次元のイメージセンサであつてもよい。
あるいはインターラインCCDよりなる撮像素子中のひと
つ又は一部の列の出力信号の高周波成分によつて焦点検
出を行う場合にも適用することができる。さらに、この
発明は、撮像手段中の測距視野対応位置を２つの部分に
分け、これら２つの部分の出力を比較して焦点検出を行
う装置のように、高周波成分を利用しない装置にも適用
することができる。また第13図のゲート18を制御するに
は同図のプログラマブル・ロジツクアレイ26以外にも公
知のゲート制御回路を利用することができる。

（効果） 以上詳細に説明したように、この発明によれば、撮像手
段の出力信号によつて焦点検出を行う装置において、撮
像手段の出力信号のとり出し範囲を可変とし、撮影開始
時又は非合焦検出時には前記のとり出し範囲のうち最小
のとり出し範囲で作動させるようにしたので、一定の測
距視野で作動させる従来の焦点検出装置で起こり勝ちで
あつた遠近競合被写体による誤測距を減少し、高精度の
焦点検出あるいは自動焦点調節を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ合焦時及び非合焦
時における撮像装置の結像面上の被写体像の状態を模式
的に示す説明図、第２図（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ
第１図（Ａ）及び（Ｂ）の状態におけるイメージセンサ
の出力中の輝度信号を示す説明図、第３図（Ａ）及び
（Ｂ）は、それぞれ第２図（Ａ）及び（Ｂ）で示す信号
を微分した信号を示す説明図、第４図は撮像装置のレン
ズ位置とイメージセンサの出力中の高周波成分との関係
を示す線図、第５図は焦点検出動作のシーケンスの一例
を示す説明図、第６図（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）は、そ
れぞれ焦点検出系の状態とイメージセンサの出力中の高
周波成分との関係を示す説明図、第７図は従来の焦点検
出装置のブロツク図、第８図は標準的な測距視野位置を
示す説明図、第９図（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）及び（Ｇ）
はそれぞれ第７図のD,E,F及びＧの個所の信号を示す波
形図、第10図は従来の焦点検出装置を用いる撮像装置に
おいて比較的長焦点よりの焦点距離で被写体を撮影した
場合のフアインダ画面内の像の状態を示す説明図、第11
図は同じく比較的短焦点よりの焦点距離で撮影した場合
の像の状態を示す説明図、第12図はこの発明を実施した
撮像装置において撮影開始時の測距視野の大きさを示す
説明図、第13図はこの発明の焦点検出装置の一実施例の
ブロツク図、第14図は第13図の実施例の動作を説明する
波形図であつて、同図（Ａ）は撮影開始時点の１水平期
間の輝度信号を、同図（Ｂ）は同じくゲート信号を、同
図（Ｃ）は同じくゲートから取り出された輝度信号を、
同図（Ｄ）はオンの期間が長くなつたときのゲート信号
を、同図（Ｅ）は同図（Ｄ）のゲート信号の制御により
取り出された輝度信号を、同図（Ｆ）は同図（Ａ）の場
合よりもピントが合つた状態における１水平期間の輝度
信号を、同図（Ｇ）は同じくゲートから取り出された輝
度信号を、同図（Ｈ）は合焦状態における１水平期間の
輝度信号を、同図（Ｉ）は同じくゲートから取り出され
た輝度信号をそれぞれ示す波形図であり、第15図は第13
図の実施例におけるレンズの位置とイメージセンサの出
力中の高周波成分との関係を第14図に対応させて示す線
図である。 符号の説明 10……撮影レンズのうち焦点調節に関与するレンズ群、
13……撮像手段の一例である二次元イメージセンサ、18
……アナログゲート、19……自動焦点調節回路、20……
マイクロプロセツサ、22……モータ、24,25……測距視
野、26……ゲート制御回路の一例であるプログラマブル
・ロジツク・アレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像画面上に結像された被写体像を電気信
   号に変換する撮像手段の出力信号により焦点検出を行な
   う焦点検出装置であつて、 前記撮像手段の撮像画面上における前記出力信号の取り
   出し範囲の画角を設定する取り出し範囲設定手段と、 前記取り出し範囲に相当する撮像信号に基づいて焦点状
   態を検出する焦点検出手段と、 前記焦点検出手段の出力に基づいて前記取り出し範囲設
   定手段を制御し前記撮像画面上における前記出力信号の
   取り出し範囲を段階的に拡大する制御手段とを備え、 前記制御手段は小画角の取り出し範囲が設定されている
   状態において、前記焦点検出手段による焦点検出が不能
   な低コントラスト状態であれば、前記取り出し範囲設定
   手段を制御して設定されている前記取り出し範囲を大画
   角へと段階的に拡大して焦点検出を行なわせしめ、拡大
   された大画角の取り出し範囲において前記焦点検出手段
   によつて非合焦と判定されたときには前記取り出し範囲
   を強制的に縮小して小画角とし、焦点検出動作を行う如
   く構成されていることを特徴とする焦点検出装置。