(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像信号から被写体の１次元画像を周波数領域に変換する変換手段と、
当該変換手段の変換結果からレンズの透過周波数特性に起因するうねりの周期に影響されないような飛び飛びの所定周波数成分を抽出する抽出手段と、
当該抽出手段の飛び飛びの所定周波数成分の抽出出力に基づくレンズの透過周波数特性に起因するピークを持たないＡＦ評価値にしたがって光学系のフォーカシング・レンズを合焦点へ制御する制御手段
とを具備することを特徴とする自動焦点調節装置。
【請求項２】
当該変換手段が直交変換手段である請求項１に記載の自動焦点調節装置。
【請求項３】
撮像信号の、合焦検出領域内の水平ライン画像を周波数領域に直交変換する直交変換手段と、
当該直交変換手段の出力からレンズの透過周波数特性に起因するうねりの周期に影響されないような飛び飛びの所定周波数成分を抽出する抽出手段と、
当該抽出手段の出力から飛び飛びの所定周波数成分に基づくレンズの透過周波数特性に起因するピークを持たないＡＦ評価値を形成するデータ処理手段と、
当該データ処理手段の出力に従い光学系のフォーカシング・レンズを合焦点へ制御する制御手段
とを具備することを特徴とする自動焦点調節装置。
【請求項４】
前記直交変換手段が離散コサイン変換手段である請求項３に記載の自動焦点調節装置。
【請求項５】
当該データ処理手段は、当該抽出手段の各ラインの出力からピーク値を選択するピーク選択手段と、当該ピーク選択手段により選択されたピーク値を複数ラインにわたって加算する積分手段とを具備する請求項３に記載の自動焦点調節装置。
【請求項６】
当該データ処理手段は、当該抽出手段の各ラインの出力からピーク値を選択する第１の選択手段と、当該第１の選択手段の、複数ラインのピーク値から最大のピーク値を選択する第２の選択手段とを具備する請求項３に記載の自動焦点調節装置。
【請求項７】
当該データ処理手段は、当該抽出手段の各ラインの出力を加算する第１の加算手段と、当該第１の加算手段の、複数ラインの加算結果をさらに加算する第２の加算手段とを具備する請求項３に記載の自動焦点調節装置。
【請求項８】
当該データ処理手段は、当該抽出手段の各ラインの出力を加算する加算手段と、当該第１の加算手段の、複数ラインの加算結果から最大値を選択する選択手段とを具備する請求項３に記載の自動焦点調節装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動焦点調節装置に関し、より具体的には、ビデオ・カメラ及び電子スチル・カメラ等に用いる自動焦点調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ビデオ・カメラ等の映像入力機器に用いられている自動焦点調節方式として、ＣＣＤ撮像素子等の固体撮像素子から得られる映像信号中の高周波成分を抽出し、この高周波成分が最大となるように撮影レンズを駆動して焦点を調節する、いわゆる山登り方式が知られている。このような自動焦点調節方式は、焦点調節用の特殊な光学部材が不要であり、遠方でも近くでも距離によらずに正確にピントを合わせることができるという長所を有する。
【０００３】
図１４を参照して、山登り方式の自動焦点調節装置を簡単に説明する。被写体からの光は、固定されている第１レンズ群１１０、変倍用の第２レンズ群１１２（以下、変倍レンズという。）、絞り１１４、固定されている第３レンズ群１１６、及び、焦点調節機能と変倍による焦点面の移動を補正する機能とを兼ね備えた第４レンズ群１１８（以下、フォーカシング・レンズという。）を通って、撮像素子１２０の撮像面（光電変換面）に入射する。
【０００４】
撮像素子１２０は撮像面上の光学像を電気信号に変換する。撮像素子１２０の出力信号は、ＣＤＳ回路１２２によりサンプル・ホールドされ、ＡＧＣ回路１２４により所定レベルに増幅され、Ａ／Ｄ変換器１２６によりディジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１２６の出力信号は、図示しないカメラ信号処理回路に供給される。カメラ信号処理回路の処理内容は、本発明とは関係しない周知のものであるので、これ以上の説明を省略する。
【０００５】
Ａ／Ｄ変換器１２６の出力は、バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）１２８にも印加される。ＢＰＦ１２８は、Ａ／Ｄ変換器１２６から出力される映像データから所定の高周波成分を抽出する。ＢＰＦ１２８の出力は、ＡＢＳ回路１３０により全て正極性の信号に変換される。ゲート信号発生回路１３２は、撮影画面内での合焦検出領域内に相当する部分を指定するゲート信号を発生し、検波回路１３４は、ゲート信号発生回路１３２が出力するゲート信号に従って、ＡＢＳ回路１３０の出力から、合焦検出領域内に相当する信号のみを検波（例えば、ピークホールド又は積分）し、ＡＦ評価値として垂直同期信号の整数倍に同期した間隔で出力する。
【０００６】
マイクロコンピュータからなる主制御回路１３６は、検波器１３４の出力（ＡＦ評価値）を取り込み、合焦度に応じたフォーカシング速度と、ＡＦ評価値が増加するモータ駆動方向とを決定し、モータ駆動回路１３８を制御する。モータ駆動回路１３８は、主制御回路１３６からの指令に従ってフォーカス・モータ１４０を駆動し、フォーカシング・レンズ１１８を指定の位置に指定の速度で移動させる。これにより、ＢＰＦ１２８の出力が最大になる位置に、フォーカシング・レンズ１１８が制御される。
【０００７】
主制御回路１３６はまた、ユーザの変倍操作に応じて、モータ駆動回路１４２によりズーム・モータ１４４を回転させ、変倍レンズ１１２を指定の位置まで移動させる。これにより、焦点距離を変更でき、撮影倍率が変化する。
【０００８】
図１５は、主制御回路１３６による山登り制御方式の自動焦点調節動作のフローチャートを示す。主制御回路１３６は、垂直同期信号の整数倍に同期した間隔で検波器１３４の出力（ＡＦ評価値）を取り込みつつ、自動焦点調節制御を実行する。電源投入時又は撮影準備モードに入ったときに、ＡＦ帰還制御を起動し（Ｓ１）、ＡＦ評価値が大きくなる方向にフォーカシング・レンズ１１８を駆動して山登り制御を行なう（Ｓ２）。山の頂上を一度オーバーシュートしてから戻すことで山の頂点を判断し（Ｓ３）、最もレベルの高い点で停止し、再起動を待機する（Ｓ４）。ＡＦ評価値のレベルが停止時のレベルより下がったことを検出すると、ＡＦ帰還制御を再起動する（Ｓ５）。
【０００９】
また、ＢＰＦ１２８により映像信号中の高域成分を抽出する方式の他に、近年、画像圧縮等で用いられる二次元直交変換器の変換結果から高域成分を抽出し、自動焦点調節に利用する構成も提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＢＰＦにより映像信号中の高域成分を抽出する従来例では、ＢＰＦにはそのフィルタ特性を細かく設定しにくいという制約があるので、撮影条件又はレンズ状態等にあわせてきめ細かくフィルタ特性を設定するのが困難であった。
【００１１】
また、２次元直交変換器を用いる方式では、画像圧縮等と兼用することが多く、その結果、周波数特性を画像圧縮処理に合わせる必要があり、自動焦点調節用として最適にできないという制約があった。勿論、自動焦点調節専用に２次元直交変換器を用意すればよいが、そうすると、回路規模が大きくなってしまい、コストが大幅に上昇する。
【００１２】
本発明は、これらの問題点を解決し、きめ細かくダイナミックに周波数特性を設定でき、且つ低コストに実現できる自動焦点調節装置を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明はまた、多くの被写体に対して、誤判断することなく迅速かつ安定に合焦する自動焦点調節装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る自動焦点調節装置は、撮像信号から被写体の１次元画像を周波数領域に変換する変換手段と、当該変換手段の変換結果からレンズの透過周波数特性に起因するうねりの周期に影響されないような飛び飛びの所定周波数成分を抽出する抽出手段と、当該抽出手段の飛び飛びの所定周波数成分の抽出出力に基づくレンズの透過周波数特性に起因するピークを持たないＡＦ評価値にしたがって光学系のフォーカシング・レンズを合焦点へ制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る自動焦点調節装置は、撮像信号の、合焦検出領域内の水平ライン画像を周波数領域に直交変換する直交変換手段と、当該直交変換手段の出力からレンズの透過周波数特性に起因するうねりの周期に影響されないような飛び飛びの所定周波数成分を抽出する抽出手段と、当該抽出手段の出力から飛び飛びの所定周波数成分に基づくレンズの透過周波数特性に起因するピークを持たないＡＦ評価値を形成するデータ処理手段と、当該データ処理手段の出力に従い光学系のフォーカシング・レンズを合焦点へ制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１６】
一次元の直交変換でよいので、安価に実現できる。周波数成分を重み付けしてから、所定周波数成分を抽出するので、焦点調節に適した周波数成分の抽出が容易になる。これらの結果、幅広い被写体に対して、誤判断することなく、迅速かつ安定に焦点調節できる。
【００１７】
更に、撮像レンズ系の特性及び撮影状態に応じて当該抽出手段で抽出する当該所定周波数成分を選択する抽出周波数選択手段を設けることで、撮像レンズ系の特性及び撮影状態に応じた最適な自動焦点調節が可能になる。その結果、レンズ・システムに関わらずに幅広い被写体及び撮影条件で、誤判断することなく迅速かつ安定に自動焦点調節でき、レンズ・システムの設計自由度が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例の概略構成ブロック図を示す。被写体からの光は、固定されている第１レンズ群１０、変倍レンズ１２、絞り１４、固定されている第３レンズ群１６、及び、フォーカシング・レンズ１８を通って、撮像素子２０の撮像面（光電変換面）に入射する。撮像素子２０は、撮像面上の光学像を電気信号に変換する。撮像素子２０の出力信号は、ＣＤＳ回路２２によりサンプル・ホールドされ、ＡＧＣ回路２４により所定レベルに増幅され、Ａ／Ｄ変換器２６によりディジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器２６の出力信号は、図示しないカメラ信号処理回路に供給される。
【００２０】
Ａ／Ｄ変換器２６の出力は、ＡＦプリプロセス回路２８に入力する。ＡＦプリプロセス回路２８は、詳細は後述するが、ＡＦ評価値を生成し、マイクロコンピュータからなる主制御回路３０に供給する。主制御回路３０は、ＡＦプリプロセス回路２８の出力（ＡＦ評価値）を取り込み、合焦度に応じたフォーカシング速度と、ＡＦ評価値が増加するモータ駆動方向とを決定し、モータ駆動回路３２を制御する。モータ駆動回路３２は、主制御回路３０からの指令に従ってフォーカス・モータ３４を駆動し、フォーカシング・レンズ１８を指定の位置に指定の速度で移動させる。これにより、ＡＦ評価値が最大になる位置に、フォーカシング・レンズ１８が制御される。
【００２１】
主制御回路３０はまた、ユーザの変倍操作に応じて、モータ駆動回路３６によりズーム・モータ３８を回転させ、変倍レンズ１２を指定の位置まで移動させる。これにより、焦点距離を変更でき、撮影倍率が変化する。
【００２２】
図２は、ＡＦプリプロセス回路２８の一例の概略構成ブロック図を示し、図３は、画面内の合焦検出領域と、合焦検出領域内の画素構成の説明図である。１フレーム又は１フィールドの画面５４内に合焦検出領域５６が設定される。合焦検出領域５６は複数の水平ライン５８からなり、各水平ライン５８は複数の画素６０からなる。
【００２３】
図２を説明する。ライン・メモリ４０はＡ／Ｄ変換器２６の出力データから、合焦検出領域５６の１水平ラインの画素データＰ０，Ｐ１，・・・，Ｐｎを記憶する。離散コサイン変換（ＤＣＴ）回路４２はライン・メモリ４０に記憶される１水平ラインの画像データを直交変換し、周波数領域データＦ０，Ｆ１，・・・，Ｆｎを出力する。重み付け回路４４は、ＤＣＴ回路４２の出力に、各周波数成分がほぼ均一のレベルになるように予め決められた定数Ｋ０〜Ｋｎを乗算する。即ち、重み付け回路４４は、ｋ０×Ｐ０、Ｋ１×Ｐ１、・・・及びＫｎ×Ｐｎを出力する。
【００２４】
所定周波数成分抽出回路４６は重み付け回路４４の出力ｋ０×Ｐ０、Ｋ１×Ｐ１、・・・及びＫｎ×Ｐｎから、主制御回路３０により指令される成分のみを抽出して出力する。ライン・ピーク・ホールド回路４８は、所定周波数成分抽出回路４６から出力される１ライン分の出力の内の最大値をホールドし、１水平ライン毎にホールド値を次の水平ラインの最大値で更新する。
【００２５】
加算器５０及びレジスタ５２はアキュムレータを構成している。このアキュムレータは垂直方向の積分回路として機能し、ライン・ピーク・ホールド回路４８の出力を累積加算する。即ち、当初、レジスタ５２にはゼロをセットしておく。そして、加算器５０はライン・ピーク・ホールド回路４８の出力にレジスタ５２の出力を加算し、加算結果をレジスタ５２に書き込む。これを合焦検出領域５６の全水平ライン５８について実行することで、合焦検出領域の全水平ライン５８の所定周波数成分の最大値の累積値がレジスタ５２に格納される。レジスタ５２の記憶値が、ＡＦ評価値として主制御回路３０に供給される。
【００２６】
図４は、ライン・メモリ４０、ＤＣＴ回路４２、重み付け回路４６及び所定周波数成分抽出回路４６におけるデータの変遷の一例を示す。図４（ａ）はライン・メモリ４０に格納されるデータ列、同（ｂ）はＤＣＴ回路４２から出力されるデータ列、図４（ｃ）は重み付け回路４２の出力データ列を示す。図４（ｄ），（ｅ）及び（ｆ）は、所定周波数成分抽出回路４６の出力例である。ＤＣＴ回路４２の出力Ｆ０〜Ｆｎでは、Ｆ０が直流成分付近の最も低い周波数成分で、Ｆ１，Ｆ２，・・・の順で徐々に周波数が高くなり、Ｆｎが最も高い周波数成分になる。
【００２７】
主制御回路３０は、図５に示すように内蔵するＲＯＭ３０ａにレンズ特性データを保有しており、外部からの焦点距離情報、デフォーカス情報及び絞り値情報と、内蔵ＲＯＭ３０ａに記憶されるレンズ特性データに従い、所定周波数成分抽出回路４６にどの帯域の周波数成分データを抽出させるかを決定し、所定周波数成分抽出回路４６に指示する。
【００２８】
図６、図７及び図８を参照して、抽出すべき周波数成分の決定方法を説明する。図６、図７及び図８は、レンズの、合焦度（又はデフォーカス量）に対する周波数特性の変化を示す。
【００２９】
図６では、特性６２が合焦状態のものであり、合焦点から外れるほど、特性６４，６６，６８というようにカットオフ周波数が低くなる。合焦状態では、特性６２に示すように、レンズの透過周波数特性に起因するうねり又は波打ち様の特性になる。このうねりを考慮せずにＡＦ評価値を算出すると、至近から無限までフォーカシング・レンズを移動したときのＡＦ評価値の変化は、図８に特性７４として例示したように、局部的なピークを持ち、これが合焦点と誤解されてフォーカシング・レンズが停止してしまう。即ち、合焦点を誤認識してしまう。
【００３０】
そこで、本実施例では、所定周波数成分抽出回路４６に対し、特性６２のうねりの周期に影響されないような、図４（ｆ）に示すような飛び飛びの周波数成分を抽出させる。これにおり、特性６２のうねりの影響が緩和され、実質的には、図７に特性７０として示すように滑らかに変化する特性になる。この結果、至近から無限までフォーカシング・レンズを移動したときのＡＦ評価値の変化も、図８に特性７６として例示するように、局部的なピークを持たないなだらかな山状になる。
【００３１】
図９は、合焦時のレンズ周波数特性の一例であり、焦点距離が短いときと長いときの比較図を示す。焦点距離の短い方が、高域成分が多く出ている。主制御回路３０は、所定周波数成分抽出回路４６に対し、焦点距離が短いときは、例えば図４（ｅ）に示すように低域よりの成分を中心に抽出させ、焦点距離が長いときは、図４（ｄ）に示すように高域よりの成分を中心に抽出させる。これにより、レンズの特性を補正し、あらゆる条件で同一のＡＦ評価値を生成できる。
【００３２】
図１０は、絞り１４の開き具合に対するレンズの周波数特性の一例を示す。絞り１４を開放した状態では、曲線７８に示すような周波数特性であるが、少し絞ると、曲線８０に示すように高域特性が良くなる。しかし、さらに絞ると、曲線８２に示すように、逆に高域特性が悪くなる。この場合も、主制御回路３０は、絞り１４に対するこのような特性を補正するように、所定周波数成分抽出回路４６を制御して、平滑な特性の周波数成分を抽出させる。主制御回路３０は、このようにして生成されるうねりの無いＡＦ評価値に基づいて、図１５で説明したアルゴリズムに従い焦点を自動調節する。
【００３３】
図１１、図１２及び図１３は、ＡＦプリプロセス回路２８の別の構成例の概略構成ブロック図を示す。図２と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００３４】
図１１では、ライン・ピーク・ホールド回路４８の代わりにライン積分回路８４を設け、１ラインのデータを全て加算し、その結果を加算器５０及びレジスタ５２からなる垂直積分回路で累積するようにした。
【００３５】
図１２では、加算器５０及びレジスタ５２からなる垂直積分回路の代わりに垂直ピーク・ホールド回路８６を設けた。垂直ピーク・ホールド回路８６は、ライン・ピーク・ホールド回路４８の出力を垂直方向で比較し、そのピーク値をＡＦ評価値として出力する。
【００３６】
図１３では、ライン積分回路８８が、所定周波数成分抽出回路４６の出力をライン内で積分し、垂直ピーク・ホールド回路９０が、ライン積分回路８８の各ラインの出力を垂直方向で比較し、そのピーク値をＡＦ評価値として出力する。
【００３７】
上記実施例では、周波数領域への変換に直交変換の一つであるＤＣＴを用いたが、他の直交変換方式、例えば、ＤＦＴ又はＦＦＴであってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれば、被写体の１次元画像を周波数領域に変換し、その変換結果の特定周波数成分により焦点を自動調節するので、焦点調節に最適な周波数変換と最適な周波数成分の抽出を行なうことができる。従って、あらゆる被写体に対して、誤判断することなく迅速かつ安定に自動焦点調節できる。また、一次元画像を周波数変換でよいので、安価に実現できる。
【００３９】
撮像レンズ系の特性及び／又は撮影状態に合わせて、抽出すべき周波数成分を制御することにより、撮像レンズ系の特性及び／又は撮影状態に適した焦点調節を行なうことができ、レンズ・システムに関わらずに幅広い被写体及び撮影条件で、誤判断することなく迅速かつ安定に自動焦点調節できる。この結果、レンズ・システムの設計自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例の概略構成ブロック図である。
【図２】  ＡＦプリプロセス回路２８の１具体例の概略構成ブロック図である。
【図３】  画面内の合焦検出領域の説明図である。
【図４】  ＡＦプリプロセス回路２８の動作の説明図である。
【図５】  主制御回路３０の入出力情報の説明図である。
【図６】  レンズの、合焦度（又はデフォーカス量）に対する周波数特性の変化を示す模式図である。
【図７】  レンズの、合焦度（又はデフォーカス量）に対する周波数特性の変化を示す模式図である。
【図８】  合焦度（又はデフォーカス量）に対するＡＦ評価値の変化を示す模式図である。
【図９】  合焦時のレンズ周波数特性の一例を示す模式図である。
【図１０】  絞り値に対するレンズ周波数特性の変化を示す模式図である。
【図１１】  ＡＦプリプロセス回路２８の第２の構成例の概略構成ブロック図である。
【図１２】  ＡＦプリプロセス回路２８の第３の構成例の概略構成ブロック図である。
【図１３】  ＡＦプリプロセス回路２８の第４の構成例の概略構成ブロック図である。
【図１４】  従来例の概略構成ブロック図である。
【図１５】  山登り制御のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０：第１レンズ群
１２：変倍レンズ
１４：絞り
１６：第３レンズ群
１８：フォーカシング・レンズ
２０：撮像素子
２２：ＣＤＳ回路
２４：ＡＧＣ回路
２６：Ａ／Ｄ変換器
２８：ＡＦプリプロセス回路
３０：主制御回路
３０ａ：レンズ特性データを記憶する内蔵ＲＯＭ
３２：モータ駆動回路
３４：フォーカス・モータ
３６：モータ駆動回路
３８：ズーム・モータ
４０：ライン・メモリ
４２：離散コサイン変換（ＤＣＴ）回路
４４：重み付け回路
４６：所定周波数成分抽出回路
４８：ライン・ピーク・ホールド回路
５０：加算器
５２：レジスタ
５４：１フレーム又は１フィールドの画面
５６：合焦検出領域
５８：水平ライン
６０：画素
８４：ライン積分回路
８６：垂直ピーク・ホールド回路
８８：ライン積分回路
９０：垂直ピーク・ホールド回路
１１０：第１レンズ群
１１２：第２レンズ群（変倍レンズ）
１１４：絞り
１１６：第３レンズ群
１１８：第４レンズ群（フォーカシング・レンズ）
１２０：撮像素子
１２２：ＣＤＳ回路
１２４：ＡＧＣ回路
１２６：Ａ／Ｄ変換器
１２８：バンドパス・フィルタ
１３０：ＡＢＳ回路
１３２：ゲート信号発生回路
１３４：検波回路
１３６：主制御回路
１３８：モータ駆動回路
１４０：フォーカス・モータ
１４２：モータ駆動回路
１４４：ズーム・モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003780047.tif 000011
【図１１】
0003780047.tif 000012
【図１２】
0003780047.tif 000013
【図１３】
0003780047.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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