(57)【要約】【課題】焦点電圧を用いて撮像光学系の歪や電気的なノイズに影響されない確実かつ迅速にフォーカシングを行うことができるオートフォーカス装置を提供する。【解決手段】光軸上の至近端から無限遠端までを３等分し、フォーカスレンズが各区間を１フィールドの時間で移動する。このときに得られた各区間の焦点電圧の平均値で最大の区間を選択し、新たにこの区間を３等分して再度フォーカスレンズが各区間を１フィールドの時間で移動する。更新された各区間の焦点電圧の平均値から最大の区間を選択する、という動作を繰り返し行ってフォーカスレンズを次第に合焦位置に収束させる。この合焦手法により撮像光学系の歪や電気的なノイズに影響されない確実かつ迅速にフォーカシングを行うことができるオートフォーカス装置を提供することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像からの入射光をフォーカスレンズを介して撮像素子に入射させ、前記撮像素子で光電変換された映像信号電圧に基づいて前記フォーカスレンズを光軸上で移動させて行うオートフォーカス装置において、
前記映像信号電圧から焦点電圧を検出する焦点電圧検出手段と、
前記フォーカスレンズが移動する範囲を複数の区間に区切って設定したとき、前記焦点電圧検出手段で検出された焦点電圧に基づいて、前記複数の区間内で前記駆動手段に前記フォーカスレンズを前記光軸方向に移動させる制御を行って、各区間毎の前記焦点電圧の平均値の中で最大平均値が得られる第１最大区間を求め、前記第１最大区間内を新たな複数の区間に設定し、前記フォーカスレンズを移動させるように前記駆動手段を制御する第１動作を行い、さらに、前記第１最大区間内の各区間での前記焦点電圧の平均値の中で最大平均値が得られる第２最大区間を求め、前記第２最大区間内を新たな複数の区間に設定し、前記フォーカスレンズを移動させるように前記駆動手段を制御する第２動作を行い、順次同様の動作を繰り返し行う制御手段と、
を備えたことを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項２】
前記複数の区間は、３区間であることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオートフォーカス装置に係り、特にＣＣＤ等の撮像素子より得られる映像信号から高域周波数成分を焦点電圧として抽出し、その焦点電圧が最大レベルになるように自動的にピント合わせを行うオートフォーカス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、撮像素子より得られる映像信号に含まれる高域周波数成分を焦点電圧として抽出し、この焦点電圧が最大レベルになるようにフォーカスレンズを移動させ、合焦位置に調節するオートフォーカス装置がある。
この種のオートフォーカス装置では、下記非特許文献１に記されているような、２点での焦点電圧を逐次レベル比較して焦点電圧の大小関係でピントずれの有無とレンズ移動方向を検出することによりレンズを移動させるいわゆる山登りサーボ方式として知られた方式と、本願出願人が先に提案した下記特許文献１および特許文献２に記されているような、任意の位置での焦点電圧の微分値から合焦位置までの距離を算出し、その算出値に基づいてレンズを移動させる方式が良く知られている。
【０００３】
ところで、前者の山登りサーボ方式の場合には、焦点電圧の傾きを逐次検出してレンズを移動させながら焦点電圧のピーク（合焦位置）を探すために合焦位置に達するまでに時間が長くかかるという問題がある。
すなわち、焦点電圧曲線のピークにフォーカスレンズを精度良く駆動制御するためには、フォーカスレンズを極めて高い分解能で制御する必要がある。ズーム倍率１０倍程度の家庭用のカメラ一体型ビデオカメラを例にとれば、フォーカスレンズの制御は至近端（至近距離に合焦する位置）から無限遠端（無限遠に合焦する位置）までを２００ステップ程度に分割する必要がある。この場合、仮にテレビジョン信号の垂直同期信号の周期でフォーカスレンズを１ステップ駆動すると、至近端から無限遠端までフォーカスレンズが移動するのに必要な時間は３．３秒（＝１６ｍ秒×２００）となり、迅速なフォーカシングが困難となる。
【０００４】
また、後者は合焦位置までの距離を演算するときに１回微分又は２回微分をするため、微分の幅が演算精度に影響する。演算精度は微分幅が小さいほどよいが、微分幅を小さくすると焦点電圧の変化が小さくなり、焦点電圧の検出精度に影響される。
【０００５】
このような問題点を解決するオートフォーカス装置として、本出願人は下記特許文献３でフォーカスレンズの３点の座標での焦点電圧をもとに演算式によって合焦位置を算出する手法を用い確実かつ迅速にフォーカシングを行う技術を提供している。
【特許文献１】特開昭６２−２７２２１７号公報
【特許文献２】特開昭６２−２７２２１８号公報
【特許文献３】特開平１０−３２７３４３号公報
【非特許文献１】ＮＨＫ技術研究報告、第１７巻第１号（通巻第８６号１９６５年）２１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献３の手法であるフォーカスレンズの３点の座標での焦点電圧をもとに演算式によって合焦位置を算出する方法は、その合焦位置の算出が正確であるための条件として、焦点電圧曲線はピーク点から近距離側と遠距離側が対称であることが必要である。しかし、実際には撮像光学系の歪みや電気的なノイズ等により、厳密にはこの条件が成立する場合はかなり限定されており、このため、この方式では１回の演算で真の合焦位置に達することは難しいという問題を有している。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、撮像光学系の歪や電気的なノイズに影響されない確実かつ迅速にフォーカシングを行うことができるオートフォーカス装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決する手段として以下の（１）（２）に記載の構成からなる。すなわち、
（１）被写体像からの入射光をフォーカスレンズを介して撮像素子に入射させ、前記撮像素子で光電変換された映像信号電圧に基づいて前記フォーカスレンズを光軸上で移動させて行うオートフォーカス装置において、
前記映像信号電圧から焦点電圧を検出する焦点電圧検出手段と、
前記フォーカスレンズが移動する範囲を複数の区間に区切って設定したとき、前記焦点電圧検出手段で検出された焦点電圧に基づいて、前記複数の区間内で前記駆動手段に前記フォーカスレンズを前記光軸方向に移動させる制御を行って、各区間毎の前記焦点電圧の平均値の中で最大平均値が得られる第１最大区間を求め、前記第１最大区間内を新たな複数の区間に設定し、前記フォーカスレンズを移動させるように前記駆動手段を制御する第１動作を行い、さらに、前記第１最大区間内の各区間での前記焦点電圧の平均値の中で最大平均値が得られる第２最大区間を求め、前記第２最大区間内を新たな複数の区間に設定し、前記フォーカスレンズを移動させるように前記駆動手段を制御する第２動作を行い、順次同様の動作を繰り返し行う制御手段と、
を備えたことを特徴とするオートフォーカス装置。
（２）前記複数の区間は、３区間であることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のオートフォーカス装置によれば、フォーカスレンズを至近端から無限遠端まで高速に移動できる光学系の構成を用い、確実に焦点電圧曲線のピークである合焦位置が求められる手法により、撮像光学系の歪や電気的なノイズに影響されないで確実かつ迅速にフォーカシングを行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態に係るオートフォーカス装置の構成を示すブロック図、図２は、本発明によるオートフォーカス装置の合焦動作を説明するための焦点電圧曲線図であり、（Ａ）は、フォーカスレンズを移動させる範囲を３区間に区切った場合に焦点電圧の最大平均値がいつも中央部にある場合の例を示し、（Ｂ）は、フォーカスレンズを移動させる範囲を３区間に区切った場合に焦点電圧の最大平均値が必ずしも中央にない場合の例を示したものである。なお、両図で曲線（ｂ）〜（ｅ）は、フォーカスレンズの移動範囲と各区間における焦点電圧の平均値の変化を分かり易く説明するために示したものである。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態におけるオートフォーカス装置１は撮影光学系２、撮像素子４、焦点電圧検出回路６、ＡＤ変換回路７、マイコン８、モータ駆動回路９、リニアモータ３から構成されている。まず、これらの動作について説明する。
【００１３】
図１において、オートフォーカス装置１は、変倍系レンズ２ａとフォーカスレンズ２ｂとから構成された撮影光学系２を備え、上記フォーカスレンズ２ｂをリニアモータ３により光軸方向に移動させることによってフォーカシングを行っている。
また、撮影光学系２を介して入射される被写体からの撮影光は、ＣＣＤ（電荷結合素子）等の撮像素子４によって映像信号Ｓに光電変換される。
次いで、この映像信号Ｓは、増幅回路５により増幅されて図示しない記録回路等に出力されるとともに焦点電圧検出回路６に供給され、ここで所定の高域成分が抽出された焦点電圧Ｖとなる。この焦点電圧Ｖは、上記映像信号Ｓの精細度に対応するものであり、前記フォーカスレンズ２ｂの移動により図２(Ａ)および同(Ｂ)に示す曲線(ｆ)のように変化し、合焦位置にあるときに最大となる特性をもっている。
【００１４】
次いで、上記焦点電圧ＶはＡＤ変換回路７にてデジタル化され、マイコン８に供給され内部メモリに記憶される。マイコン８はこの焦点電圧Ｖを元にフォーカスレンズ２ｂの合焦位置の座標を含む区間を設定し、フォーカスレンズ２ｂがその設定された区間を所定の時間で略等速に移動するようにモータ駆動回路９を介してリニアモータ３を駆動する。
この駆動により再度更新された焦点電圧Ｖが得られ、この焦点電圧Ｖを元に再度フォーカスレンズ２ｂの移動区間を設定し、この区間を所定の時間で移動するというループを繰り返して合焦位置に到達する。
【００１５】
次に、マイコン８が合焦位置の座標を求める具体的な動作について説明する。
まず、図２(Ａ)の直線(ａ)で示すように、フォーカスレンズの移動範囲である至近端から無限遠端の間を３等分し、境界点を夫々座標Ｘ０（＝至近端）、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３（＝無限遠端）とする。
次いで、フォーカスレンズ２ｂを１フィールドの時間でＸ０からＸ１に向けて略等速で移動させ、その間に撮像素子４が受光した被写体像に対応する焦点電圧の平均値Ｖ０をメモリする。次の１フィールドの時間でＸ１からＸ２に向けて略等速で移動させ、焦点電圧の平均値Ｖ１をメモリする。さらに、次の１フィールドの時間でＸ２から無限遠端Ｘ３に向け略等速移動させ、焦点電圧の平均値Ｖ２をメモリする。
このようにして３区間の焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２が得られる。
【００１６】
上記したように、フォーカスレンズ２ｂは、設定された３区間を各区間１フィールドの時間を使って移動しており、夫々の区間で得られたＶ０、Ｖ１、Ｖ２は焦点電圧の平均値をとっている。この焦点電圧Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２の変化の様子を略図で図２(Ａ)の曲線(ｂ)に示す。
このように、区間毎に焦点電圧の平均値を用いることで焦点電圧値の微小な変動やノイズが消され、後述するレベル判定が確実に行えるようになる。
なお、通常フォーカスレンズ２ｂの移動開始から焦点電圧値の取得には遅れ時間が生じるが、ここでは説明を簡単にするために、焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２は座標Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３にレンズが到達したときに得られるものとして説明している。
【００１７】
次いで、上記３区間の焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２の中から最大のものを選ぶ。図２(Ａ)の曲線（ｂ）の場合には、Ｖ１が最大となるので、この区間の座標Ｘ１〜Ｘ２を新しい探索区間とする。すなわち、座標Ｘ１、Ｘ２を新しく座標Ｘ０、Ｘ３とし、この新区間Ｘ０〜Ｘ３を３分割して区切りの座標を新しく座標Ｘ１、Ｘ２とする。
そして、フォーカスレンズ２ｂを新しく設定したＸ０からＸ３に向けて各区間１フィールドの時間で略等速に移動させる。この場合、フォーカスレンズ２ｂの移動速度は前回の１／３に減速させることになる。
そして前回と同様に、３区間の焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２を新しく得る。こうして得た焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２を図に書き加えたのが図２(Ａ)の曲線(ｃ)である。
そして再度上記焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２の中から最大のものを選び、同様の過程を経て同図(ｄ)の結果を得る。さらに、同様過程を経て同図(ｅ)の結果を得る。
【００１８】
以上の動作を反復させることで区間Ｘ０〜Ｘ３の幅は逐次１／３の比率で減少し続け、最終段階ではフォーカスレンズ２ｂの最小変位量の３倍となり、３座標分を残すのみとなる。この最後の３区間（３座標）のうち最大の焦点電圧を示す区間（座標）が最終の合焦位置となる。
【００１９】
図２(Ａ)の場合は、３区間の中で常に中央が選択されている例を示しているが、必ずしもこのような場合ばかりではない。図２(Ｂ)は合焦位置がやや無限遠端に寄っている場合を示したもので、同図の(ｃ)では３区間の内の後方区間が選択され、(ｄ)(ｅ)では前方区間が選択されている例である。
なお、３区間の焦点電圧の平均値Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２で、２つが同じ最大値である場合には最大値を示した２区間を新しい探索区間となるように設定する。
【００２０】
上記したように、本発明のオートフォーカス装置は、フォーカスレンズ２ｂが設定された３区間を各区間１フィルドの時間で移動し、このときに得られた焦点電圧の平均値が最大の区間を選択して、その区間を新たに３区間に分割して再度各区間を１フィールドの時間で移動する動作の繰り返しで合焦位置に到達するものである。
本発明の実施にあたっては、フォーカスレンズ２ｂが至近端から無限遠端までを最小３フィールド分の時間で移動する高速なレンズ駆動機構が必要になるが、近年の撮像素子の小型化に基づくレンズの小型化による質量の減少と移動距離の縮小および進歩したリニアモータの特性からこのような機構は可能となっている。
【００２１】
なお、本実施例では、フォーカスレンズ２ｂを至近端側から無限遠端側に向かって移動しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、逆方向もしくは往復で行っても良いことは当業者に明白である。また、本実施例では、設定された区間を３等分しているが、本発明はこれに限定されるものではなく複数分割であれば良い。さらに、本実施例では、３等分された１区間を１フィールドの時間で移動しているが、これよりも遅い速度であれば焦点電圧の平均値が得られるので良いことも明白である。
また、被写体が光学的仕様で決定される至近端又は無限遠端に存在する場合を考慮して、フォーカスレンズ２ｂの移動範囲を至近端のさらに近距離側と無限遠端のさらに遠距離側に移動できる機構的余裕を設けることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係るオートフォーカス装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明によるオートフォーカス装置の合焦動作を説明するための焦点電圧曲線図であり、（Ａ）はフォーカスレンズを移動させる範囲を３区間に区切った場合に、焦点電圧の最大平均値がいつも中央部にある場合の例を示し、（Ｂ）はフォーカスレンズを移動させる範囲を３区間に区切った場合に、焦点電圧の最大平均値が必ずしも中央にない場合の例を示したものである。
【符号の説明】
【００２３】
１    オートフォーカス装置
２    撮影光学系
２ａ  変倍系レンズ
２ｂ  フォーカスレンズ
３    リニアモータ
４    撮像素子
５    増幅回路
６    焦点電圧検出回路
７    ＡＤ変換回路
８    マイコン
９    モータ駆動回路
【図１】
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【図２】
2005331723.tif 000004