(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、
前記撮影レンズの合焦用レンズの位置を検出するレンズ位置検出手段と、
前記焦点検出手段により検出された焦点調節状態と前記レンズ位置検出手段により検出された合焦用レンズの位置により、前記撮影レンズの像面位置と像面速度を繰り返し演算し、検出時刻、像面位置および像面速度をテーブルデータとして記憶する像面位置速度演算手段と、
前記像面位置速度演算手段により演算された像面位置に基づいて前記撮影レンズの像面が遠方から至近へ向う第１の状態と至近から遠方へ向う第２の状態とを判定する像面状態判定手段と、
前記像面状態判定手段により前記第１の状態から前記第２の状態に切り換わったと判定されると、前記第２の状態に切り換わるまでの前記撮影レンズの前記テーブルデータから、前記第２の状態に切り換わった後の時刻に対応する前記撮影レンズの像面位置と像面速度を逆引き演算する像面データ予測手段と、
前記像面状態判定手段により前記第１の状態から前記第２の状態に切り換わったと判定された後は、前記像面データ予測手段により算出された像面位置と像面速度に基づいて前記合焦用レンズを駆動制御するレンズ駆動制御手段とを備えることを特徴とする自動合焦装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動合焦装置において、
前記像面データ予測手段は、前記第２の状態に切り換わるまでの前記撮影レンズの前記テーブルデータに基づいて、前記第２の状態に切り換わった後の前記撮影レンズの像面位置と像面速度を補間演算することを特徴とする自動合焦装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の自動合焦装置において、
前記像面位置速度演算手段は、今回の演算結果の像面位置が、前回の演算結果の像面位置から所定量以上、変化した場合のみ前記テーブルデータの記憶処理を行うことを特徴とする自動合焦装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カメラ等の撮影レンズを合焦駆動する自動合焦装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カメラの自動焦点調節装置において、移動する被写体を追尾してある時間に露光を行ない、焦点の合った写真を撮る追尾方法が知られている。
第１の追尾方法は最も単純な方法であり、現在もこの方法を用いているカメラも多い。この追尾方法では、過去に得た複数の被写体の像面位置とその検出時刻の組から差分をとり、像面位置の変化量つまり像面速度を求め、その像面速度の傾きで位置を外延して、所定時刻の像面位置を予想する方法である。この方法は、一次微分を差分の代替として求めた、位置に関するニュートン的な一次近似の方法といえる。
【０００３】
第２の追尾方法は、上記第１の方法をさらに一次深めて像面位置にかかる二次補正としたものである。具体的には、３世代の像面位置と時刻のデータの組をとり、これら３点を通る像面位置−時間の空間における放物線を決定し、これを外延して所定時刻の像面位置を予測するものである。この追尾方法は、等速で運動する被写体であっても、予定像面上では線形ではない一定の関数、
【数１】
0003757470.tif 000002
（数式１において、ｆはレンズの焦点距離、ｖは被写体速度、ｈは最接近した時の距離、ｔは時間、ｔ＝０で最接近である。）
で変化するため、像面速度の変化があるという事実から、像面加速度を２次式で評価することによって正解に至ろうとするものである。
しかし、実際には、焦点はずれ量の測定値に相当量のゆらぎがあり、このゆらぎの影響は微分係数が高次になればなるほど大きくなる。これは、離散的なデータセットを使用している以上宿命であり、このことからこの方法が正しく速度変化を捉えられるかどうかは非常に疑問である。
【０００４】
さらに改善された追尾方法として、統計演算を行なう方法がある。この目的は、測定のゆらぎの影響を最小限に留めようとするものである。
第３の追尾方法は、統計的な手法で像面の位置を予測する方法である。すなわち、像面位置−測定時刻の組を過去数世代にわたって格納しておき、これらのデータ群から一次回帰式を導く。この一次回帰式の傾きは像面位置の時間変化になるから、データ群を代表する像面速度を表すことになる。この方式は、測定データのゆらぎにも強く、信頼度の高いデータが得られるが、ある程度の時間間隔を持つデータ群の変化量を代表するために、急速に変化する被写体の対応はむずかしい。
【０００５】
上記第３の方法を改善した第４方法として、像面の位置と像面速度の平方根の空間で回帰式を求め、この回帰式から逆算して像面速度と像面加速度を求める方法がある。この方法は、非線形な像面の動きを基本的に数式で捉えているため、ゆらぎの影響の少ない像面加速度を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の追尾方法では、移動被写体の像面位置の予測方法を改善すればするほど、予測決定に係るデータ数が増えるという問題がある。
図１は、一定速度ｖで移動する被写体が遠方からカメラに接近し、遠ざかっていく場合の撮影レンズの像面位置（実線で示す）と像面速度（破線で示す）の関係を示す。
像面位置は、移動被写体がカメラの真正面の最接近距離ｈの位置に来た時に最大となる。また、移動被写体がカメラに接近する場合の移動速度を正にとると、移動被写体がカメラに接近するにつれて像面速度が増加し、カメラの真正面の位置で像面速度の極性が反転する。そして、移動被写体がカメラから遠ざかるにつれて像面速度が減少する。
【０００７】
この明細書では、移動被写体がカメラに最接近し、像面速度の極性が反転する点を折り返し点と呼び、移動被写体がカメラに接近して像面位置と像面速度の増加する範囲を上り坂、移動被写体がカメラから遠ざかって像面位置と像面速度が減少する範囲を下り坂と呼ぶ。
【０００８】
このような移動被写体を追尾する場合に、下り坂に差しかかった時に、それまでの上り坂における像面位置や像面速度などのデータに基づいて下り坂における像面位置や像面速度などを予測することになるため、予測点が実際の像面の動きに追随できなくなる。つまり、単調増加を想定して像面の動きを部分的に近似している関数が、実際の像面の動きを代表する関数の極大点もしくは折り返し点で予測不能になってしまう。
また、折り返し点では速度−一次導関数−の変化が激しいだけではなく、駆動の方向が逆転するために、駆動力を伝達しているギアなどの機械部材にバックラッシュが発生し、制御を非線形なものとしている。折り返し点直後の動きは予測が難しいのに加え、予測はできても追尾駆動自体が困難であることが加わって、この折り返し点近傍での追尾は現在まで放擲されていた。
【０００９】
本発明の目的は、カメラに接近し遠ざかっていく移動被写体を正確に追尾する自動合焦装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）  請求項１の発明は、撮影レンズの焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、撮影レンズの合焦用レンズの位置を検出するレンズ位置検出手段と、焦点検出手段により検出された焦点調節状態と前記レンズ位置検出手段により検出された合焦用レンズの位置により、撮影レンズの像面位置と像面速度を繰り返し演算し、検出時刻、像面位置および像面速度をテーブルデータとして記憶する像面位置速度演算手段と、像面位置速度演算手段により演算された像面位置に基づいて撮影レンズの像面が遠方から至近へ向う第１の状態と至近から遠方へ向う第２の状態とを判定する像面状態判定手段と、像面状態判定手段により第１の状態から第２の状態に切り換わったと判定されると、第２の状態に切り換わるまでの撮影レンズのテーブルデータから、第２の状態に切り換わった後の時刻に対応する撮影レンズの像面位置と像面速度を逆引き演算する像面データ予測手段と、像面状態判定手段により第１の状態から第２の状態に切り換わったと判定された後は、像面データ予測手段により算出された像面位置と像面速度に基づいて合焦用レンズを駆動制御するレンズ駆動制御手段とを備える。
（２）  請求項２の自動合焦装置は、像面データ予測手段によって、第２の状態に切り換わるまでの撮影レンズのテーブルデータに基づいて、第２の状態に切り換わった後の撮影レンズの像面位置と像面速度を補間演算するようにしたものである。
（３）  請求項３の自動合焦装置は、像面位置速度演算手段によって、今回の演算結果の像面位置が、前回の演算結果の像面位置から所定量以上、変化した場合のみテーブルデータの記憶処理を行うようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２に一実施形態の構成を示す。
レンズ部１には、撮影レンズ２と、レンズ位置検出装置３と、駆動ギア４が内蔵されている。レンズ位置検出装置３は、撮影レンズ２に含まれる合焦用レンズ（不図示）の位置を検出する。駆動ギア４は、カメラボディ５から不図示の伝達機構を介して駆動力が伝達され、合焦用レンズを駆動する。
【００１２】
一方、カメラボディ５には、焦点はずれ量検出装置６と、クロック７と、演算装置８と、記憶装置９と、像面状態判定装置１０と、駆動制御装置１１が内蔵されている。焦点はずれ量検出装置６は、撮影レンズ１とメインミラー１２を通過し、サブミラー１３により反射された被写体からの一対の光束を焦点検出用光学系（不図示）によりイメージセンサー（不図示）上に導き、一対の被写体像を形成して被写体像の光強度分布に応じた信号を生成する。そして、その信号に基づいて周知の焦点検出演算を行ない、撮影レンズ１の予定結像面からの焦点のはずれ量を検出する。クロック７は、焦点はずれ量検出装置６により焦点はずれ量が検出された時刻を計時する。演算装置８はカメラの各種演算を行なう。記憶装置９は演算装置８により演算されたデータを記憶する。像面状態判定装置１０は、焦点はずれ量などの各種データに基づいて像面の動きをモニターし、その折り返し点を検出する。
【００１３】
駆動制御装置１１は、演算装置８により演算された駆動データ、すなわち図３に示すような所定時刻の像面速度とオフセット量による指示駆動直線にしたがって、駆動ギア４を介して合焦用レンズを駆動する。
【００１４】
今、図１に示すように、最接近距離ｈのところを一定速度ｖで通過する移動被写体を想定し、この移動被写体をカメラで追尾する場合を例に上げて実施形態の動作を説明する。
この実施形態における追尾は、次のようなプロセスを辿ることになる。まず、移動被写体が遠方からカメラに向かって近づいてくる。この時、まず通常通り、焦点はずれ量検出装置６から焦点はづれ量ｂｆ０とその時の時刻ｔｏ、およびｔｏにおける合焦用レンズの位置ｌｐ０を入力し、像面位置（df0=bf0+lp0）とその検出時刻の組として記憶装置９に貯えるとともに、それらのデータに基づいて合焦用レンズを駆動する。この自動焦点調節サイクルが何度か繰り返され、像面位置とその検出時刻のデータの組が複数世代格納されると、このデータから単位時間当たりの像面の動き、すなわち像面速度が算出され、自動合焦装置は追尾状態に入る。
【００１５】
なお、像面速度の演算方法に関しては、２つの像面位置と検出時刻データの差分をとる方法から、複数のデータに基づく統計演算の回帰式の傾きを用いる方法まで、色々な方法があるが、本発明に直接関係しないので詳細な説明を省略する。
ただし、算出された像面速度ｖｉｍｉに対応する像面位置ｙｉと時刻ｔｉを同時に計算しておく必要がある。単純に差分で像面速度を求める場合には、２つのデータの間の中間位置と時刻がそれを代表することになるし、統計演算ならば採用されたデータの平均位置と時刻が、これに相当することになる。このデータの組を駆動テーブルの第１の数値の組とする。同様に、焦点はずれ量が検出され、各種パラメータが演算された次回のサイクルでは、今回算出された像面位置が前回テーブルに格納した像面位置から所定量ｄ以上変化しているかどうかを調べ、変化している場合にのみ、テーブルに次のデーターセットとして格納する。これは、自動焦点調節サイクルが被写体の像面移動に比べてかなり速いので、すべてのデータをテーブルとして格納するとテーブルが巨大になってしまう可能性があることと、データのゆらぎによりテーブルの単調増加性が崩れてしまうことを防止する意味で行なわれる操作である。テーブルを大小比較で検索する関係から、単調増加性が崩れることはソフト製作上問題である。この操作が繰り返され、テーブルが形成されていく。この様子を図４に示し、記憶１、記憶２および記憶３の時刻で像面位置と像面速度が記憶される。このようにして像面が上り坂にある時にテーブルが形成されていく。
【００１６】
一方、こうした操作を繰り返しながら、像面状態判定装置１０は折り返し点を越えたか否かを判定し続ける。上述したように、折り返し点に到達するまで、テーブルの形成が続けられる。
像面状態判定装置１０は、各種のパラメータと、行なっている予測駆動の特性とに基づいて折り返し点を判断する。例えば、一定の像面速度を越えると加速度補正のオーバーラップをかける統計演算を用いた系、従来の技術の項で述べた第３および第４の追尾方法であれば、
（１）  テーブルの第１番目の像面位置から現在の像面位置が一定量以上至近側によっていること。
（２）  加速度補正のオーバーラップが開始されていること。
（３）  それまでの最高像面速度が一定の大きさを越えていること。
（４）  焦点が至近側にはづれていること。
（５）  現在の像面速度が０に近いか負になっていること、あるいは前回と今回の測定データがそれに准ずる関係になっていること。
（６）  まだ折り返し点に至ったという判断がないこと。
を判断し、これらの条件が全て満足されたら、像面状態判定装置１０は折り返し点に到達したと判断する。
【００１７】
これらの条件の内、（１）〜（３）は、状態の判断要素もあるが、これを満足しない場合には最至近距離が遠く、像面速度変化が小さいために、折り返し点を判断しないまま駆動を続けても特に問題がないからという側面もある。（４）は、上述した第３と第４の追尾方法が山の頂上付近で加速度補正が過剰気味になるという性質からきた判断要素である。（６）については、一回のパスで折り返し点の検出は一回限りであるというルールに基づいたものと解されるとよい。
【００１８】
テーブルは例えば表１に示すようなものになっているはずである。
【表１】
0003757470.tif 000003
【００１９】
折り返し点を越えると、このテーブルを用いて追尾駆動がなされるようになる。次に折り返し点を過ぎて、下り坂に差しかかった時の追尾駆動の方法を説明する。
折り返し点が過ぎてデータが焦点はずれ量検出装置６より入力されると、そのデータの中の像面位置からテーブルを引き、テーブルデータを補完して対応する時刻を算出する。最も簡単な補完は比例配分によって答えを求める方法で、例えば像面位置ｙｔを３．０だとすると、表１において、第一番目ｙ１のデータと第２番目のデータｙ２を選択し、これらの比例配分で求めてやればよい。
【数２】
ｒａｔｉｏ＝（ｙ２−ｙｔ）／（ｙ２−ｙ１）
【数３】
ｔｉｍｅ＝（ｔ２−ｔ１）・ｒａｔｉｏ＋ｔ１
上記の式から簡単に仮想的な時刻ｔｉｍｅが算出され、−３．９になる。
【００２０】
この時刻は測定がなされた時刻で、現在時刻とは若干の差ｔｄがあるはずである。折り返し点の前と速度は逆になっているから、この値をｔｉｍｅから引いてやれば、現在に対応する仮想時間ｔｉｍｅ０が算出される。ここで、仮にこの時間を０．１とすると、この仮想時間は−４．０になる。この仮想時間に対応する像面速度と像面位置を逆引きしてやれば、現在時点の像面速度と像面位置が算出される。数式２と数式３と同様の演算をふたたび行なえば、像面位置は２．９２、像面速度は０．７５になる。像面速度を算出する際には、加速度を持つ局面であるから測定間隔を考慮して、像面速度を計算する際だけ測定間隔の半分をさらに追加してやってもよい。駆動制御装置１１へ出力する時には、像面位置については像面位置から現在のレンズ位置を引いて、残駆動量として出力してやらなければならないのは言うまでもない。
【００２１】
このようにして、テーブルが適応できる間は、この学習したデータからオーバーラップ補正を繰り返し行なっていけば、テーブルから正しく像面速度が出力できるし、像面のふるまいも既知であるから、ただちに精度の高い加速度補正、オーバーラップ補正が可能である。
【００２２】
以上の発明の実施の形態の構成において、焦点はずれ量検出装置６が焦点検出手段を、位置検出装置３がレンズ位置検出手段を、演算装置８が像面位置演算手段および像面データ予測手段を、像面状態判定装置１０が像面状態判定手段を、駆動制御装置１１がレンズ駆動制御手段をそれぞれ構成する。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、追尾が難しかった像面移動カーブの折り返し点以後の下り坂において、折り返し後すぐに、高精度な追尾駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  カメラに接近し遠ざかっていく移動被写体を追尾する場合の、撮影レンズの像面位置と像面速度を示す図である。
【図２】  一実施形態の構成を示す図である。
【図３】  撮影レンズの駆動データと実際の撮影レンズの動きを示す図である。
【図４】  上り坂におけるテーブルの作成例を示す図である。
【符号の説明】
１  レンズ部
２  撮影レンズ
３  レンズ位置検出装置
４  駆動ギア
５  カメラボディ
６  焦点はずれ量検出装置
７  クロック
８  演算装置
９  記憶装置
１０  像面状態判定装置
１１  駆動制御装置
【図１】
0003757470.tif 000004
【図２】
0003757470.tif 000005
【図３】
0003757470.tif 000006
【図４】
0003757470.tif 000007