JPS5933408A - オ−トフオ−カス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、撮像素子として固体撮像素子や撮像管を用
いたムービーカメラやスチルカメラ、あるいは−眼し　
カメラに用いられるオートフォーカス装置に関する。

背景技術とその問題点 この種のオートツメ−カス装置としては、超音波、赤外
線の照射による三角測量方式等のアクティブ方式やコン
トラスト検出、一致像検出等によるパッシブ方式等があ
る。そして、そのうぢのパッシブ方式のオートツメ−カ
ス装置の一例として次のようなものが知られζいる。

第１図はその概要を府ずもので、これはＴＴＬ方式の一
眼レフカメラに使用されているものである。

第１図において、レンス（１１を通った光はサブミラー
（２）に入射し、その透過光はフィルム面（３）に人射
する。一方、サブミラー（２）で反射された光はビーム
スプリッタ−（４）に入射する。このビームスプリッタ
−（４）に対し本来のフィルム面（図中、（５）はその
等価フィルム面である）に相当するピント位置の前後に
わずかずれた２ケ所の位置に、それぞれ１列ずつの絵素
（センサー）が１次元配列の固体撮像素子例えばＣＣＤ
からなる副撮像素子Ｓ１と副撮像素子Ｓ２とが設けられ
る。図中、破線（６）、（７）で示すのはフィルム面（
３）に対する副撮像素子Ｓｌ、Ｓ２の等価位置で、フィ
ルム面（３）に対して、その前後に等距離ｌだり離れた
位置関係となっている。

なお、サブミラー（２）とレンズ（１１との間には、図
示しないがメインミラーがザフミラ−（２）の面方向に
対して直交するように設けられ、入射光が、サブミラー
（２）に対し°ζ副撮像素子Ｓ１、Ｓ２とは、反対側に
設けられるピント板に入射するようにされている。

とごろで、ピントが合ったかどうかは画像が鮮明である
かどうかということで評価できる。画像が鮮明であるか
どうかは画像の空間周波数を求め、振幅に対するＭＴＦ
　（変調伝達関数）を評価すれば求まることは周知の通
りであるが、カメラに内蔵可能な程小型で、かつ、重速
処理ができ、安価であるという条件を考えると、実際上
は難しい。

一方、一般に、画像が鮮明であるかどうかは被写体の輪
郭がシャープかどうかということで判断できることが多
い。

この輪郭情報は微分により得られるが計算機処理では上
記副撮像素子の絵素（センサー）間の出力の差分を用い
゛ζ得°ζいる。

ここで、説明の簡単のため、画面の半分が白、残りの半
分が黒というように明るさが段階的に変化する被写体を
考えると、第２図に示すように、正確にピントが合った
ところ（合焦点）で、コントラストＥは最も強く、この
位置から前ピンにずらしても後ピンにすらし°Ｃもコン
トラストＥは低下する。

このコントラストを表ず評（面関数を考えれば、これは
上述のような１次元固体撮像素子Ｓ１、Ｓ２で像を得た
とき、その０１に目とこれに隣り合うｎ＋１番目のセン
サーの出力ＩｎとＩｎ＋１との差としζ表ずごとができ
る。すなわち、 −１ は無関係となっ”ζしまう。この欠点を回避するために
は、（１）式のＩｎローＩｎに対して非線形の処理を何
等かの方法で行わなけれはならない。この非線形処理の
ためには、アナログ演算を施したり、撮像素子の非線形
性を利用しζいる。

以」二のよ・うな非線形処理を行っ−ζコン１−ラスト
の評価関数Ｅが得られたとする。この評価関数Ｅを子連
の副撮像素子Ｓ１とＳ２の出力に対して適応し、横軸に
ピントずれ、縦軸にコントラストをとって関数曲線を求
めると第３図に示すようになる。第３図においζ、曲線
（８）は素子Ｓ１のコントラスト曲線曲線、曲線（９）
は素子Ｓ２のコントラス）Ｃ２曲線をそれぞれ示してい
る。

すなわち、副撮像素子Ｓ１及びＳ２は本来のピントの前
後でコントラストを測っているから、レンズ（１１を移
動させてフォーカシングをするにつれて位相のずれた２
つのコントラスト曲線が得られる。そして、この装置に
おいては、前述したように前ビン側撮像素子Ｓ１と後ピ
ン側撮像素子Ｓ２とのちょうど中間に正しいピント位置
がくるように構成されているので、コントラスト曲線（
８）と＋９１とが同じ値をとったときが合焦位置となる
ものである。また、 コントラストＣ１＞コントラストＣ２ ならば、現状は前ピンであることを示し、コントラスト
Ｃ，＜コントラストＣ２ ならば、現状は後ピンであることを示すものである。

こうしζ、本来のピントに対して前後にずれた位置に配
置した２つの撮像素子Ｓ１、Ｓ２の出力のコントラスト
情報を用いるごとによりオートフォーカスが可能となる
。

しかしながら、以上述べたようなオートフメーカス装置
の場合、測距に伴わないレンズ系を動かずものであるた
め、動作速度が遅くなり、動きが不自然であった。

また、ピントが大きくはずれてしまい、それが第３図の
検出不可領域になってしまっていると、もはや測距不能
となっ°ζしまう欠点がある。

また、ビームスプリッタ−を用いているため、その段数
に応じ°ζ入射光量が減少し、オートフォーカスの動作
範囲が狭いという欠点もある。

発明の目的 この売゛明１よ」−記の点にかんがみ、測距スピードが
早く、しかも無限遠からクローズアンプに急に変化した
としても＾速応答が可能なオートフォーカス装置を提供
しようとするものである。

発明の概要 この発明は、主撮像面位置とは別の位置に、この主撮像
面の画角の一部を切り取った部分に相当する副撮像素子
が設けられ、この主撮像面及び副撮像素子には同一の光
学系からの入射光がそれぞれ結像し得るようにされ、上
記副撮像素子は上記主撮像面と等価の位置から光学系の
焦点距離に応じて光軸方向に移動させられるとともにそ
の移動変移中の各位置において上記副撮像素子の各絵素
よりの情報からその画像の鮮明度の評価値が求められ、
その評価値の極大値が合焦点とされて上記主撮像面とレ
ンズとの距離が変えられて、上記主撮像面上に像を合焦
するようにして焦点を合わセるようにしたもので、高速
応答で、測距速度も早く不自然な動きを起ごさないとい
う特長がある。

実施例 以下、この発明の一実施例を第４図以下を参照しながら
説明しよう。

第４図はこの発明の一例の光学系を示し、（１１）はレ
ンズ、（１２）はメインミラー、（１３）はサブミラー
、（１４）は例えばＣＯＤからなる主撮像素子、（１５
）は同じく例えばＣＣＤからなる副撮像素子で、副撮像
素子（１５）はオートフォーカスの測距用として用いら
れるものである。

この副撮像素子（１５）は前述した従来例と同様の１次
元的配列のラインセンサーであっ°ζもよいが、この例
ではセンサーが２次ノｃ的に配列された面撮像素子とさ
れる。また、ごの副撮像素子（１５）はその使用目的か
らいって主撮像素子（１４）と同じ規模のものである必
要はなく、主撮像素子（１４）の内角の−・部を切り取
ったような部分的なものでよい。この副撮像素子（１５
）の絵素（センサー）数は、例えば縦６４×横６４個と
される。

ＴＴＬ方式によりレンズ（１１）を通過した光はメイン
、ミラー（１２）を介して主撮像素子（１４）に入射す
る。レンズ（１１）を通過した光の−８１；は、また、
メインミラー（■２）で反射され゛Ｃファインダーに導
かれる−また、メインミラー（１２）を通過した光の一
部は、サブミラー（１３）で反射されて副撮像素子（１
５）に入射するようにされる。

そして、この発明においては、従来のようにオートフォ
ーカスのための測距のためにはレンズ（１１）を動かず
のではなく、副撮像素子（Ｉ５）を光軸方向に±Δｄだ
け移動するようにする。このため、この例では副撮像素
子（１５）は第５図に示すようなアクチェエイター上に
取りつけられる。

このアクチェエイターは、例えばＳ極に着磁された円柱
（１６）を取り囲むようにこの円柱（１６）よりの若干
の距離をおいてＮ極に着磁された環状体（１７）が形成
され、これら円柱（１６）と環状体（１７）との間に形
成される凹−ａ（１８）内にボイスコイル（１９）が挿
入される。このボイスコイル（１９）は、副撮像素子（
１５）が固定された基台（２０）に対してとりつけられ
ており、このボイスコイル（１９）に供給される電流に
応して基台（２０）、したがって副撮像素子（１５）が
図中矢印で示す方向（第４図で矢印で示した光軸方向）
にピストン運動するようになされている。

この場合、副撮像素子（１５）の原点位置は主撮像素子
（１４）の焦点距離と同し位置にあり、アクチェエイタ
ーによっζ、光学系の全焦点距離に応じた移動量りを副
撮像素子（１５）が走査するようにピストン運動をする
。そして、この場合の走査は、第６図に示すような階段
波によりてステ・ノブ駆動的になされるもので、この例
の場合、副撮像素子（１５）はその移動量りの間にステ
・ノブ的に１６階段の位置をとるようにされる。すなわ
ち、移動量■）の間に時間Ｔかかるとすると、副撮像素
子（１５）はＴ　／　１６＝τの時間毎に光軸方向にそ
の位ＩＷを移動するよ・）になるもの乙１６１１ｆｆｉ
の位置ｄｏ　＋ｄ１．ｄ２　　・・・　ｄ１５をとり、
各位置でての時間停止しているごとになる。ここで、ｄ
ｏは光学系の最近焦ｙｊｉ位置、ｄ１５は無限遠の焦点
位置に対応する。

そして、ｄｏ　＝　ｄ＋ｓの各焦点位置において、それ
ぞれ停止している時間τにおい′乙その各位置この割振
１象素子（１５）の画像の鮮明度が求められ、その各位
置での鮮明度を表す情報がメモリーに記憶される。そし
て、そのメモリーに記憶された鮮明度の情報のうち、極
大、つまり他位置に対して鮮明度の高い位置が見い出さ
れ、これに基づいて↑撮像素子（１４）またはレンズ（
１１）が動かされて、その対応する焦点位置にくるよう
にされる。

こうし°ζオートフォーカスがなされる。なお、移動量
り中の極大鮮明度の焦点位置を見い出すための上述のよ
うな副撮像素子（１５）による測距の走査速度は、例え
ば３回／秒程度とされる。

ところで、副撮像素子（１５）のｄｏ　”　ｄｖ５の各
位置におｋｌる被写体の解明度を求める演算処理として
は、ごの副撮像素子（１５）として面撮像素子を用いた
ことを利用して副撮像素子（１５）の画像の２次元微分
処理が用いられる。第７図は副撮像素子（１５）の一部
の絵素（センサー）を示すもので、図におけるある絵素
（ｉ、ｊ）の周囲の８（固の絵素との間の２次元微分の
値をｄ７！とすると、で表される。そして、ｄＯ〜ｄｏ
ｓの光学系の各焦点位置での微分値総量が、その各位置
での被写体の鮮明度の・情報としてメモリーに記憶され
る。

例えば第９図に示すようにカメラ（２１）前方に、人（
２２）　、柱（２３）　、本棚（２４）が順次並んでい
た場合、これら人（２２）、柱（２３）、本棚（２４）
の位置が例えば位置ｄ３＋　　ｄｖ　＋　　ｄ＋ｏで鮮
明′に像を結ぶようなときには、第８図に示すように微
分値総量りはそのｄ３＋　　ｄｖ　＋　　ｄ＋ｏの各位
置で極大になる。つまり撮像レンズ（１１）の画角内に
複数の被写体があればその数に応じ、かつ、その位置に
応じたカメラの光学系の各焦点位置において微分量総量
が極大になりそれがメモリーに記憶されるから、この極
大点となる各焦点位置に、レンズ（１１）または撮像素
子（１４）を移動させるようにすればツメ−カスされる
。

複数の被写体物が画角内に入ったときそのうちの所望の
１つの被写体にツメ−カスしたいとするのが通當である
。このように、複数の極大点がある場合にそのうちの所
望の被写体にフォーカスさせるようにするには、次のよ
うにすればよい。

すなわち、一般に所望のフォーカスしたい被写体はカメ
ラに一番近い位置となることが多いので、先ず、この一
番近い位置の被褐体、第９図の例では人（２２）にフォ
ーカスするようにし、それが所望のものでないときは、
他の極大点に移動させるようにして當に所望の被写体に
フォーカスできるようにすればよい。

以上のことを考慮したこの発明装置の制御系の一例のブ
ロック図を第１０図に示す。

第１０図において、（３１）はツメ−カスコントロール
回路で、これは演算器、レジスタ、デジタル比較器、カ
ウンタ、表示駆動回路等から成っている。

このフォーカスコントロール回路（３１）からは第６図
に示したような副撮像素子（１５）を測距走査させるた
めの階段状信号がデジタル信号の状態で得られる。上記
カウンタがそのために用いられるもので、このカウンタ
には周期τのクロックが供給される。そして、このカウ
ンタの出力がＤ／／１変換器（３２）に供給されてアナ
ログ信号とされ、これが第５図に示したアクチェタイタ
ーのボイスコイル（１９）に供給されζ、副撮像素子（
Ｉ５）が光学系の所定の焦点位置に持ち来される。そし
て、この位置において、この割損（象素子（１５）から
得られる画像出力が対数圧縮回路（３３）に供給される
。この対数圧縮回路（３３）は、光の距離に対する特性
が対数的であることからそれをリニアに変換するための
ものである。

対数圧縮回路（３３）の出力はＤ／Ａ変換器（３４）に
てデジタル信号に変換された後、演算回路（３５）に供
給されて上述した画像の２次元微分の微分値総♀ｐが求
められ、これがメモリー（３６）の、その位置にｌ：１
に対応するアドレスにその位置の画像の鮮明度の評価値
として記憶される。

次ニ、時間τ経過すると、フォーカスコントロール回路
（３１）においては上記カウンタが歩進し、そのカウン
ト値が変化する。すると、　Ｄ／Ａ変換器（３２）の出
力が変わり、副撮像素子（１５）の位置が光軸方向に移
動される。そして、この変更された位置において、上述
と同様の操作が行われ、その位置における鮮明度のｉｆ
　１１１ｉ値である画像出力の微分値総量がメモリー（
３６）の対応するアドレスに書き込まれる。以上の操作
が、上述の１６個の各位置ｄｏ　”　ｄｏ５の全てにお
いこなされ、これによりメモリー（３６）の記憶内容と
して第８図に相当するものが得られる。以下これが繰り
返される。

このメモリー（３６）中の１６１１１＋’ｌの情報に対
し、極大値の検出がなされ、極大値である場合にはその
情報にマーカーが付される。すなわち、メモリー（３６
）に各位置の鮮明度の情報を書き込む際に、フォーカス
コントロール回路（３１）内に設ＬＪられたデジタル比
較器によってその前後の位置の情報と、その位置の情報
を比較してそれが極大値であると検出されたとき、その
情報にマーカーを伺加しζ書き込むようにされる。ある
いは、メモリー（３６）に全ての情報が書き込まれた後
、これを順次読み出し、デジタル比較器を用いて極大値
を見い出し、マーカーをイ」シて、再び元の（０置に書
き込むようにしてもよい。

カメラ位置に対して第９図に示したような被写体のとき
は、　ｄ３．　　ｄｖ、　　ｄ＋ｏの位置の解明度の情
報が極大になり、前述したように先ず、手前の被写体に
オートフォーカスするとすれば、ｄ３の位置の情報に付
加された極大値マーカーに従っζ、この位ＦＲの情報が
フォーカスコントロール回路（３１）より得られ、これ
がＤ／Ａ変換器（３７）にてアナログ信号にされ、この
アナログ信号によって、この例では撮像レンズ（１１）
が移動されて、光学系がｄ３の焦点位置にくるようにさ
れる。ごのｄ３の位置が、所望の被゛！ｊ体に対するフ
ォーカス位置でないときは、フＡ−カスセレクトスイッ
チ（３８）を操作すると、次の極大値マーカーの付され
たメモリー位置に移り、その位置情報がフォーカスコン
トロール回路（３Ｉ）より得られ、レンズ（ＩＩ）がそ
れに追随する位置に移動するものである。

このフォーカスセレクトスイノヂ（３８）は、例えば第
１１図に示すようにカメラ本体（４ｏ）のレンズの近傍
の位置に配され、図のＲ側にスイッチ（３８）を倒すと
、フォーカス位置がカメラよりも遠い方の被写体位置に
順次移動し、図のＦ側にスイッチ（３８）を倒すと、ツ
メ−カス位置がカメラに近づく方向に順次移動するよ・
うにするごとが可能である。

なお、Ｄ／Ａ変換器（３７）の出力によってレンズ系を
動かすかわりに主撮像素子（１４）を動がずようにして
ももちろんよい。

発明の効果 以上述べたこの発明によれば、従来のように測距に伴い
レンズ系を動かずのではなく、慣性質量の小さい撮像素
子を動がし、合焦点がみっがるまでは、他のレンズ系は
固定しておくので、測距速度が上がり、不自然な動作と
はならない。また、この発明の場合、全焦点距離につい
て同時に合焦点を検出するので、無限遠がらクローズア
ップに被写体位置が急激に変化しても応答が早いという
効果がある。

また、副Ｗｉ像素子を合焦のため動かずもので、レンズ
基はその測距には用いないから、レンズ系としてはいか
なる交換レンズも使用可能となる。

なお、従来の場合、測距用の撮像素子は１次元的ライン
センサーであるため、各絵素の配列方向にコントラス１
−の変化がある像に対しては測距可能となるが、配列方
向にコントラスト変化がないとき、つまりラインセンサ
ーが水平方向のとき、水平方向のコントラスト変化がな
く、縦方向のめ変化するような被写体は測距不能となる
。

これに対し、上述のように、測距用の撮像素子として面
撮像素子を用い”ζ２次几的にコントラスト変化を求め
るようにした場合には、上記のような方向依存性がない
。また、評価関数も２次元微分であ４か゛ら、第１図の
従来例の場合のように非直線処理をわざわざ行わなくて
もよく、さらに２次元の二１ントラス目負出を行うから
全方向につい゛（の正確なコントラスト検出ができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のオートフォーカス装置の一例の光学系を
示す図、第２図及び第３図はその説明のための図、第４
図はこの発明の光学系の一例を示す図、第５図はその要
部の構成の一例を示す図、第６図〜第９図はその説明の
ための図、第１０図はこの発明の制御系の一例のブロッ
ク図、第１１図はその一部の構成を説明するための図で
ある。 （１１）は撮像レンズ、（１２）はメインミラー、（１
３）はサフミラー、（１４）は主撮１象素子、（工５）
は副撮像素子である。 第１図 第１０図 第１１図 便　　　Ｉｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　主撮像面位置とは別の位置に、この主撮像面の画
   角の一部を切り取った部分に相当する副撮像素子が設＆
   Ｊられ、この主ｔｉ像面及び副撮像素子には同一の光学
   系からの入射光がそれぞれ結像し得るようにされ、上記
   副撮像素子は上記主撮像面と等１所の位置から光学系の
   焦点距別に応じて光軸方向に移動させられるとともにそ
   の移動変移中の各位置において上記副撮像素子の各絵素
   よりの情報からその画像の鮮明度の評価値が求められ、
   その評価値のｌｉ犬値が合焦点とされて上記主撮像面と
   レンスとの距離が変えられて、」二記主撮像面」二に像
   を合焦するようにして焦点を合わせるようにしたオート
   フォーカス装ｅ ２、　副撮像素子として２次元の面１最像素子が用いら
   れ、上記鮮明度の評価値として、上記面撮像素子の画像
   情報の２次元数分の、その面内での総量が用いられるよ
   うにされた特許請求の範囲第１項記載のオートフォーカ
   ス装置。