JPS6069613A - 自動焦点整合装置 - 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 本発明は、ビデオカメラ等に用いられる自動焦点整合装
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（ハ、ポータブルビデオテーグレコ
ーダと共に、急速に肴−及しつつある。自動焦点整合装
置は、ビデオカメラの取扱いを簡便にし、苗一層の普及
に貢献するものである。

以下に一般的な自動焦点整合装置について説明する。

自動焦点整合装置の一例として、赤外線全被写体に向け
て発射し、被写体より反射された赤外線を受光して被写
体１での距Ｐ４（４ｆ測定し、測定距煎に応じてレンズ
の焦点整合装置ケ１駆動するものがある。この方式は、
応答速度を早くできるという長所７有するが、 （１）被写体までの距離を正確に測定し、測定結果に応
じてレンズを駆動しているが、距離を測定する部分とレ
ンズの焦点整合部は、オーブンループ制御になっており
、その間に高い光学的機械的連動精度が要求される。す
なわち距離が正確に測定できても、焦点が合うためには
、前記連動精度にたよる他ない。

（２）距離測定部が、ビデオカメラの主機能部とは、全
く別構成であり、小型化、低消費電力化に適さない。

（３）距離測定部で対象としている被写体と、撮像部で
撮像している被写体の間に、必ずしも相関がなく、長焦
点レンズや被写体距離が遠い場合、誤動作し易い。

等の問題点があり、ビデオカメラ用自動焦点整合装置と
して、満足すべきものでない。

自動焦点整合装置の他の従来例として、撮像素子の撮像
面に結像している被写体像を、周期的かつ光学的にポカ
し、このボケに対応する信号全検出し、この信号の位相
と振幅によって、撮像素子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、レンズの焦点整
合装置を駆動するものがある。このような方式は、撮像
素子より得られる映像信号そのもの全利用し、かつレン
ズの焦点整合部も含めてクローズドルーズを形成してお
り、前述したような問題点全−切もたない。

しかし一方でこの方式はレンズの焦点整合装置を駆動す
るモータのタイムラグと合焦時の系の安定性の兼ね合い
から、応答を早くできないという欠点があった。ビデオ
カメラは、特に動く被写体を撮ることが多く、応答速度
はビデオカメラ用自動焦点整合装置の最も重要なポイン
トの一つである。

従って応答速度がこのような方式の大きな欠点となって
いた。

以下、まずこのような従来の自動焦点整合装置について
詳細に説明する。

いま、映像信号の高域周波数成分は、次のような特性を
有している。

第１図は、ビデオカメラの一例全示すブロック図である
。１は任意の被写体、２はレンズ、３は撮像面上に結像
した光学的情報全電気信号に変換する撮像素子、４は撮
像素子３より得られる電気信号を増幅する前置増幅器、
６は前置増幅器４の出力信号全標準テレビジョン信号に
変換するプロセス回路である。一般にビデオがメラは、
被写体の一点が正しく撮像素子３の撮像面上の一点に結
像するよう１で、レンズ２の焦点整合装置ｆｔ調整し使
用する。この状態は、レンズ２のピント位置Ｃが撮像素
子３の撮像面上にあり、合焦していると呼ぶ。しかし、
ピント位置Ｃは、例えば被写体１までの距離が変わるこ
とによって変化し、前ビン。

後ピンと呼ばれる状態が発生する。第２図Ａ、Ｂはそれ
ぞれその様子を示している。前ビンまたは撮像面３ａ（
第１図の撮像素子３の撮像面と同一である。）に対しレ
ンズ２が若干ピント外れとなって、そのため本来撮像面
３ａに結像すべきところ直径ｄの円形のボケを生じた状
態を言う。この時ピント外れの量δは、小円錐ＡＢＣの
高さになり、レンズ２のＦ値をＦとすれば δ−Ｆｄ　・・・・・・　（１） なる関係が成立つ。一方ボケを最大許容した時のボケの
円形ヲ渚小錯乱円と呼ぶ。

第３図は、レンズ２のピント位置が、前ビンーー合焦−
後ビンと移動した時に、＠電増幅器４の出力信号に含ま
れる高域周波数成分の変化を示したものである。高域周
波数成分はピント位置が前ビン状態から合焦状態に向う
につれ増大し、合焦位置で最大となる。合焦状態から、
再びピント外れの後ピン状態になると減少し、ピント外
れ月が大きくなり、錯乱円の直径が大きくなるにつれて
減少する。この結果は、後ビン−合焦−前ビンと進んで
も全く同じである。すなわち、映像信号に含まれる高域
周波数成分は、合焦位置で最大、ピントが前または後に
外れる。従って低下する一種の山型特性となる。また山
型、前ビン側と後ピン側で対称である。一方、合焦位置
付近の高域周波数成分の変化は、ピント外れによるボケ
の大きさが最小錯乱円より小さいとき、はとんどない。

すなわち山の頂上付近は、ピント外れ量δが前述した最
小錯乱円の直径をｄｍｉｎ　、レンズのＦ値をＦとする
時、 δくｄｍｉｎ　＝　Ｆ　ｄｍｉｎ の範囲では、平らになる。この従来の装置は映像信号の
高域周波数成分が持つ、このような特性を利用１〜、構
成されている。

第４図は、このような方式の装置を示すブロック図であ
る。第１図と同じものは同一番号を付している。６は同
期信号発生器で、プロセス回路５撮像素子駆動回路γに
同期信号、ブランキング信号、垂直駆動信号、水平駆動
信号等全供給する。

７は撮像素子３を駆動する駆動回路、ｓｌｄ高域周波数
成分を検出する回路で、例えば中心周波数１ｈｈのバン
ドパスフィルタ、９は基準周波数発生回路で、同期検波
回路１０とモータ駆動回路１２に基準周波数全供給する
。１ｏは基準周波数成分検出回路１１の出力信号全基準
周波数で同期検波する回路である。１１は高域周波数成
分検出回路８り出力信号から、基準周波数成分を検出す
る回路である。１２は基準周波数発生回路９の出力信号
と同期検波回路１０の出力信号でモータ３を駆動するモ
ータ駆動回路、１３はレンズ２の焦点整合装置全駆動す
るモータである。

いま、レンズ２の焦点整合装置は、基準周波数発生回路
９の出力信号によって駆動する。従って、レンズ２のピ
ント位置は、基準周波数で変動し、ピントはずれ量が変
わり錯乱円の大きさが変動する。言い換えれば、撮像素
子３の撮像面に結像している被写体像を、同期的すなわ
ち基準周波数でかつ光学的にポカしたことになる。この
結果、撮像素子３よシ得られる映像信号に含まれる高域
周波数成分、すなわち高帯周波数成分検出回路８の出力
信号は、前述したボケの量に対応した変化成分を含んで
いることになる。

第５図はこの様子を示したものである。縦軸は、第３図
と同じく映像信号の高域周波数成分の振幅をとっている
。横軸は、レンズ２の焦点整合装置の位置である。近は
、近い被写体にピントが合う位置で、遠は、遠い被写体
に合う位置を示している。これは、基本的には、第３図
の横軸と同じである。なぜなら、し／ズ２からピント位
置までの長さは、焦点整合装置の位置によって変わるか
ら焦点整合装置を動かすことによって、前ビン・合焦・
後ピン状態になる。いま被写体までの距離がＤであった
とする。”Ｏｆ　”１９　”２は基準周波数によるモー
タ１３の微変動を示している。＆１は、レンズ２の焦点
整合装置が撮像している被写体より近距離の被写体にピ
ントが合うように設定されていたときのモータ１３の微
変動を示している。

この時、映像信号の高域周波数成分は、モータ１３の微
変動に応じて、ｂｌに示すような変動をする。

Ｃ２は、レンズ２の焦点整合装置が、被写体よシ遠距離
に合わされていた場合である。この場合、映像信号の高
域周波数成分は、へのような変動をする。映像信号の高
域周波数成分は、モータぢの微変動によって、基準周波
数で振幅変調を受けることになる。また第５図から明ら
かなように、この振幅変調は、レンズ２の焦点整合装置
が、被写体より近距離に設定されているか、遠距離に設
定されているかによって、周期は同じでも位相が１８０
°と変っている。このような自動焦点整合装置は、モー
タ１３の微変動による。前述した映像信号の高域周波数
成分が示す特性を利用した藏のである。

すなわち、撮像素子３より得られる映像信号の高域周波
数成分は、モータ１３の基準周波数での微変動により、
基準周波数で振幅変調を受ける。

高域周波数成分は、高域周波数成分検出回路８Ｇでよっ
て検出される。振幅変調により高域周波数成分に含まれ
る基準周波数成分は、基準周波数成分検出回路１１によ
って検出される。検出された基準波数成分は、同期検波
回路１０Ｖｃおいて基準周波数で同期検波される。同期
検波出力は、モータ駆動回路１２に送られ、モータ１３
を駆動する。

同期検波出力は、近距離側と遠距離側において、前述し
たように基準周波数成分の位相が１８００と違うため極
性が反転する。従って、第５図においてｂｌの信号を同
期検波した信号でモータ１３をＣ１の矢印方向に駆動し
、ｂ２の信号で０２の矢印方向にモータ１３を駆動でき
る。よって、焦点整合装置は、常に映像信号の高域周波
数成分が最大になる方向に向い、最大値において安定す
る。

またこの時、モータ１３の微変動によるボケはその大き
さが、最小錯乱円より小さいなら、合焦位置においてす
。に示すように高域周波数成分の変化がなく、目に検知
されることはないし、ピント外れの時でもほとんど検知
できない。

このように従来の装置は、前述したように焦点整合装置
を含めてクローズトループ全形成しており、光学的・機
械的精度全要求しないばかりか、種々の特徴をもってい
る。しかし、次に述べるような問題をもっている。モー
タの応答は、電気系の応答に比べ遅い。起動時、停止時
等の過渡特性すなわちモータの５駆動信号が変化しモー
タの回転速度が所定の値になるまでの過渡的な特性は、
第６図に示すよう（で、機械的時定数ｒ−ｋもってしか
応答しない。しかも、この機械的時定数τ　は、モータ
に実装されている負荷によって変り、レンズを駆動する
場合は、かなり大きな値となる。一方、モータの微変動
によるボケの量、すなわち錯乱円の大きさは、（１）式
に示すようにレンズのＦ値に反比例する。従って錯乱円
の大きさは、同じピント外れ量であってもレンズのＦ値
によって変る。

映像信号の高域周波数成分の振幅は、錯乱円の大きさに
応じて変化するから、第７図に示すように第５図と同じ
距離りにある被写体を・撮像１〜だ場合でも、その山型
特性の形状はレンズのＦ値によって変る◇第２図におい
て、ａｌ、ａ２は、第５１シ１吉同じモータの微変動を
示している。ｂｌ、ｂ１／。

ｂ２．ｂ２１も第５図と同じようにモータの微変動によ
る高域周波数成分の変化を示して騒る。ｂｌ、ｂ２は、
レンズのＦ値が小さい場合で、ｂ１′、ｂ２′はＦ値の
大きい場合である。この図から明らかなように、同じモ
ータの微変動量であっても、高域周波数成分の変化量は
、レンズのＦ値によって変り、Ｆ値が大きくなると減少
する。従って、第４１ン１に示す従来例では、高Ｆ値に
おいて映ｒ象信号の高域周波数成分に含１れる基準周波
数成分が減少し、系全体のループゲインが演下して、焦
点が合う丑での時間が遅くなる。一般にビデオカメラ１
ｄ１その操作性の高さから使用範囲が広く、照明の貧弱
な室内から快晴の室外まで１台でカバーする。これに伴
い、レンズのＦ値は２０ｄＢ以上のダイナミックレンジ
を有している。第４図の従来例では、２０ｄＢ以上ルー
プゲインが変化することになる。

い１、高Ｆ値でも応答を早くし焦点が合うまでの時間が
早くなるようループゲインを高くすると、低Ｆ値におい
てループゲインが極端に高くなり、前述（−たモータの
応答のタイムラグのため）葛ンチング現象を生じ、シス
テムの安定性が悪くなる。

例えば、前ビン状態からモータを駆動し、合焦状態を得
、モータを停止しようとした場合、モータは前述したよ
う（て機械的時定数τｍをもってしか応答しない。ルー
プゲインが高いと実際にモータが停止Ｆする位置は、合
焦状態を通り過ぎ、後ビン状態になってしまう。この状
態になると、再び系はモータを合焦方向へ、駆動するが
、この場合もモータは合焦位置を通り過ぎ、）・ンテン
グ現象を起す。そこで、低下値シこおいてノーンチング
現象が生じない程度にループゲインを抑えると、高Ｆ値
での応答が極端に遅くなり問題となる。このような事は
、焦点距離が可変なズームレンズを使用した場合にも起
る。焦点距離の短い広角側ではループゲインが低下し、
焦点距離の長い望遠側では高くなる。一般にビデオカメ
ラは、広角から望遠・高いズーム倍率まで全カバーする
ズームレンズ全標準実装置〜でおり、応答速度をｖめる
制約となっていた。従来の自動焦点整合装置は、いくつ
かの特徴をもつが、前述したようにその応答速度に問題
があり、その改善が強く望まれていた。

発明の目的 本発明は、上記の従来の問題点に鑑みなされたもので系
が安定でかつ動く被写体に追従する早い応答速度をもつ
自動焦点整合装Ｒを提供することを目的とする。

発明の構成 本発明は、撮像素子の受光面に結像している被写体像を
、周期的かつ光学的にポカ１〜、このボケに対応した信
号を検出し、撮像素子より得られる映像信号の高域周波
数成分が最大になるように、レンズの焦点整合装置を駆
動するシステムにおいて、現在のレンズの絞り値・Ｆ値
と焦点距離・ｆ値のうち少なくとも一方の検出機能をも
った自動焦点整合装置であり、現在のレンズ状態に応じ
てループゲイン全コントロールすることによって、系の
安定性と応答速度の両立全可能にすることのできるもの
である。

実施例の説明 第８図は本発明の第１の実施例を示すブロック１ン１で
ある。第８図において、１４はレンズの絞り値・Ｆ値全
検出し、それに対応した信号電圧を出力する絞り値検出
器である。１５は絞り値検出器１４の出力信号に応じて
、基準周波数成分の利得を制御する利得制御」回路であ
る。他は、第４図の従来例と同じである。

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。

基準周波数成分検出回路１１より得られる基準周波数成
分つ振幅は、前述したよう（Ｃレンズ２の絞り値・Ｆ値
によって変る。すなわち、基準周波数成分の振幅は、レ
ンズ２の絞りが絞られた状態高ｒ値で減少し、開放状態
、低Ｆ値で増大する。

従来はこれによってループゲインが大きく変り、系の応
答金早くする制約となっていた。絞り値検出器１４と利
得制御回路１５はこの問題点を一挙に解決するもので、
レンズ２の絞り状態による基準周波数成分の振幅変化全
吸収し、常に一定振幅の基準周波数成分を同期検波回路
１０に供給しレンズ２の絞り状態に関係なくループゲイ
ンｆ　一定にするものである。従って本実施例の自動焦
点整合装置は、高ｒ値（Ｃおいて、早い応答が得られる
ようにループゲインを十分高めておいても、低Ｆ値にも
・いて、第４図の従来例で見られたループゲインが極端
に高くなり、合焦時にハンチングを起すような事態７招
く事なく安定かつ早い応答をする。すなわち基準周波数
成分検出回路１１の出力信号は、レンズ２の絞りの状態
によって増減する。利得制御回路１５は、絞り値検出器
１４によって検出されたレンズ２の絞り状態によって利
得を可変する。利得の制御は、基準周波数成分のレンズ
絞り状態による増減を相殺するように設定されている。

高ｒ値では、大きい利得に、低Ｆ値では小さい利得にな
る。従って、利得制御回路１５の出力信号は、レンズ２
の絞り状態に関係なく一定となる。利得制御回路１５の
出力信号は、同期検波回路８において、基準周波数で同
期検波され、その出力信号でモータ駆動回路１２全通Ｉ
−て、モータ１３を駆動する。このように本実施例のよ
うな構成によれ１げ、レンズ２の絞り状態に関係なくル
ープゲインを一定にでき、系の安定性を維持したまま、
早い応答速度を実現できる。

次に、ズームレンズを用い焦点距離を可変した時にも安
定かつ応答速度の早い系を実現する実施例を第９図に示
して説明する。１６はレンズ２のズーム位置から現在の
焦点距離を検出し、それに対応した電圧を出力するズー
ム位置検出器である。

１６は第８図の実施例と同じ構成であるが、本実施例で
はズーム位置検出器１６の出力信号に応じて、基準周波
数成分の利得を制御する利得制御回路である。望遠側で
は利得が小さくなり、広角側では大きくなるように設計
されている。他は第８図と同一である。さて、前述した
ように、ズーム位置すなわちレンズ２の焦点距離によっ
てル−プゲインが大きく変動する。従来はこれが系の安
定性や応答速度に対する大きな制約となっていた。

しかるに、本実施例によりば、ズーム位置が望遠１１′
！ｌｌＫなり、ループゲインが高くなろうとすると、ズ
ーム位置検出器１６の出力信号によって利得制御回路１
５の利得が下がり、ループゲイン全一定にする。また、
広角側になり、ループゲインが低くなろうとすると、利
得制御回路１５の利得が上がり、一定にする。このよう
に、ループゲインはレンズ２のズーム位置すなわち焦点
距離によらず常に一定となる。従って、ループゲインは
、系の安定性全維持したまま、十分（／ｃ高めることが
出来系の応答速度は飛躍的に向−１−する。

本発明の別の実姉例を第１０図に示して説明する゛。同
一番号を記しであるものに：、他の実姉例と同一である
。１７は絞り値検出器１４の出力信号とズーム位置検出
器１６の出力信号全演算１〜出力する演算器、例えば、
加算器である。従って、利得制御回路１５の利得は、レ
ンズ２が高ｒ値でかつ広角側の時最大となり、低Ｆ値で
かつ望遠側の時最小となり、レンズのズーム位置、絞り
状態のいずれにも対応して変化し、ループゲイン全一定
にするように動作する。本実施例の構成によればループ
ゲインは、レンズ２のズーム位置、絞り状態に関係なく
一定となり、系の安定性全維持したまま、十分に高める
ことが可能になる。従って、応答速度全飛躍的に向上で
きる。

なお、実施例において、利得制御回路１５は、基準周波
数成分検出回路１１の後にあるが、本発明の自動焦点整
合装置としての系の内であれば、どの位置であってもよ
い〇 また、ループゲインを可変するものであれば実施例のよ
うな利得制御回路１６のようなものである必゛要はなく
、例えばモータ１３を駆動する駆動信号を制御する一例
として駆動信号の高さや幅全レンズ状態に応じて可変す
る構成であってもよい。

また、本発明全説明するにあたって、レンズを微動する
方法で述べたが、本発明の実施例に撮像素子の撮像面」
＝に結像している被写体像を、周期的かつ光学的にボカ
す手段に何ら制約かな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、撮像素子の受光面に結像
している被写体像を、周期的かつ光学的にポカし、この
ボケに対応する信号を検出し、この検出信号の位相と振
幅によって、撮像素子より得られる映像信号の高域周波
数成分が最大になるようにレンズの焦点整合装置全駆動
するシステムにおいて、現在のレンズの絞り値または焦
点距Ｎ１のうち少なくとも一方を検出し、この検出信号
によって系のループゲインを制御することにより、系の
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。また、本発明の自動焦点整合装置は、レン
ズの焦点整合装置も自動焦点システムのクローズドルー
ズに入っているため、機械的、光学的精度全要求しない
ばかりか、焦点合致は高精度で、例えば合致精度が要求
される１２倍ズームレンズが使用できる。またビデオカ
メラの軽量化に貢献するが、温度によって焦点位置が変
化するグラスチックレンズでも使用できる。このように
本発Ｆ！ＡＦｉ極めて卓越した作用効果を有するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はビデオカメラの一例を示すブロック図、第２図
Ａ、Ｂはレンズのピント位置の状態を示す模式図、第３
図はピント位置の移動に対応する映像信号の高域周波数
成分の変化を示す特性図、第４図は従来の自動焦点整合
装置を示すブロック図、第５図はモータの駆動方向を検
出する原理を説明する原理図、第６図はモータの応答特
性を示す特性図、第７図は従来の自動焦点整合装置の問
題点を説明する原理図、第８図、第９図、第１０図は本
発明の各実施例における自動焦点整合装置を示すブロッ
ク図である。 ２・・・・・・レンズ、３・・・・・・撮像素子、８・
・・・・・高域周波数成分検出回路、１０・・・・・・
同期検波回路、１１・・・・・・基準周波数成分検出回
路、１４・・・・・・絞り値検出器、１６・・・・・・
利得制御回路、１６・・・・・・ズーム位置検出器、１
７・・・・・・演算器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 （Ａ） （Ｂ） 合焦 第４図 第５図 第６図 ７図 篤 第９図　第１ ０図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　レンズによって操像素子の受光面に結像してい
   る被写体像全周期的にポカし、前記ボケに対応する第１
   の信号全検出し、検出した前記第１の信号でレンズの焦
   点整合手段を焦点が合うように駆動するシステム全有し
   、前記レンズの絞り値または焦点距離のうち少なくとも
   一方に対応する第２の信号全検出し、検出した前記第２
   の信号によって前記システムのループゲイン全変化する
   ことを特徴とする自動焦点整合装置。
2. （２）第２の信号が絞ｐ値と焦点距離の両方全検出し、
   雨検出信号ｋａ向算してなる信号であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の自動焦点整合装置。
3. （３）ルーフゲインの変化がモータの、駆動信号を制御
   して得られること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。