JP3586003B2

JP3586003B2 - 焦点制御装置

Info

Publication number: JP3586003B2
Application number: JP20972795A
Authority: JP
Inventors: 清春西山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: JPH08214202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子を備えたビデオカメラあるいは電子スチルカメラ等に適用される焦点制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、映像信号を焦点評価値として用いるオートフォーカス方式(いわゆる山登りサーボ方式)がビデオカメラ等で採用されているが、この方式は、基本的に１フィールドごとに焦点評価値を取得して比較しながらフォーカスモータを駆動するものであるので、合焦時間が長くなるという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では、フォーカスレンズの位置が合焦位置近傍にない場合には、フォーカスレンズを高速で駆動し、合焦位置近傍にある場合には低速で駆動することによって、前記山登りサーボ方式によるフォーカス制御において問題であった合焦速度の向上を、合焦精度を劣化させずに達成することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、撮像して得られた映像信号中の輝度成分の変化からフォーカス信号を得て、このフォーカス信号に基づいてフォーカス制御を行う焦点制御装置において、任意の異なる２つの周波数帯域の輝度成分の比の増減を検出する手段と、一方の周波数帯域の輝度成分の増減を検出する手段と、前記両手段の検出結果に基づき、任意の異なる２つの周波数帯域の輝度成分の比は増加せず、かつ一方の周波数帯域の輝度成分のみ増加する場合には、合焦位置近傍であると判断し、それ以外の場合には非合焦位置と判断する合焦位置判定手段と、前記合焦位置判定手段により、非合焦位置と判定されたときには、フォーカスレンズを駆動するフォーカスモータの駆動速度を所定の速度に設定するとともに、所定の周期にて前記検出結果の取得と比較演算を行い、合焦位置近傍と判定されたときには、前記フォーカスモータの駆動速度を前記所定の速度より低速にするとともに、前記所定の周期より長い周期で前記検出結果の取得と比較演算を行う手段とを備えたことを特徴とする。
【０００５】
また、輝度成分の増加を検出するためのしきい値と、増加を検出した後に最大値を検出するためのしきい値との関係を、合焦位置近傍と非合焦位置とで変化させる手段を備えたことを特徴とする。
【０００６】
また、前記検出結果の取得と比較演算の周期に同期して、その周期ごとに前記フォーカスモータの駆動速度を所定のフォーカスレンズ移動量に限定して駆動することを特徴とする。
【０００７】
また、前記検出結果により合焦位置近傍との判定が最初になされた直後と、その後に同判定がなされたときとで、徐々にフォーカスモータの駆動速度を低速にすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図２は本発明の第１実施形態の概略構成を示すブロック図であり、１はフォーカスレンズ２を含む複数のレンズ群からなる撮像レンズ系、３は撮像レンズ系１にて結像された被写体像を受けて光電変換するＣＣＤ(電荷結合素子)等からなる撮像素子、４は撮像素子３からの出力を映像信号として出力するカメラプロセス部、５は、映像信号に対して各種信号処理をしたり、輝度信号を分離出力する映像信号処理回路、６，７は遮断周波数が異なる２つのバンドパスフィルタ(ＢＰＦ)であり、一方のＢＰＦ６の通過帯域を、例えば100kHzに設定し、他方のＢＰＦ７の通過帯域を、例えば500kHzに設定する。
【００１０】
さらに８，９は、各ＢＰＦ６，７から出力される２つの周波数帯域の輝度成分をそれぞれ積分し、フォーカス用の評価値を出力する２つの積分回路、10は、両積分回路８，９からの評価値を受けて、後述する各種演算を行う演算回路、11は構成各部の動作をコントロールするマイクロコンピュータ(ＣＰＵ)、12はフォーカスレンズ２を移動させるフォーカスモータ、13はフォーカスモータ12をコントロールするフォーカスモータ制御回路である。
【００１１】
前記演算回路10において、一方のＢＰＦ６からの出力の現在の積分値を評価値ａ、前の積分値を評価値ａ′とし、同様に他方のＢＰＦ７からの出力の現在の積分値を評価値ｂ、前の積分値を評価値ｂ′とすると、ａ−ａ′，ａ/ｂ，ａ′/ｂ′，ａ/ｂ−ａ′/ｂ′が計算されて、ＣＰＵ11へ出力される。
【００１２】
図３は、一方のＢＰＦ６からの評価値ａを、フォーカスレンズ２の位置(繰り出し量)をパラメータとしてプロットした評価値曲線の一例であり、評価値曲線は全体として山形をしている。評価値曲線の頂点部が合焦位置に対応し、フォーカスレンズ２は、評価値に基づくフォーカス制御による繰り出し移動によって、初期位置から次第に頂点部へ近づくことになる。これが、いわゆる山登りサーボである。
【００１３】
図４は、一方のＢＰＦ６からの評価値ａと他方のＢＰＦ７からの評価値ｂとの比(ａ/ｂ)を、フォーカスレンズ２の位置をパラメータとしてプロットした評価値比曲線の一例である。
【００１４】
図３，図４でわかるように、非合焦位置から合焦位置近傍まではａ，ａ/ｂ共に増加するが、合焦位置近傍ではａ/ｂは増加の度合いが減少するか、または減少する傾向にある。
【００１５】
第１実施形態では上述した評価値ａ，ａ′，ｂ，ｂ′に基づいて、図１のフローチャートに示すフォーカスモータ12の制御を行う。
【００１６】
図１において、現在の評価値ａが最大値でない場合(Ｓ1-1のNO)、フォーカスモータ12を繰り出して(Ｓ1-2)、評価値ａの判定を行い、それが最大値であれば(Ｓ1-3のYES)、その最大値を呈する評価値ａに対応するレンズ位置までフォーカスレンズ２を戻すようにフォーカスモータ12を駆動する(Ｓ1-4)。
【００１７】
前記ステップ(Ｓ1-3)において、評価値ａが最大値でない場合(Ｓ1-3のNO)、フォーカスレンズ２の繰り出しにて変化する評価値ａ，ａ′，ｂ，ｂ′と、予め定められているしきい値Δｋ(評価値ａに対するしきい値)，Δｋ′(評価値比ａ/ｂに対するしきい値)との関係が、ａ＞(ａ′＋Δｋ)であって(Ｓ1-5のYES)、かつａ/ｂ＞(ａ′/ｂ′＋Δｋ′)である場合(Ｓ1-6のYES)には、ａ，ａ/ｂがそれぞれしきい値Δｋ，Δｋ′を超えて増加しているので非合焦位置にあると判断して、フォーカスモータ12を高速(速度Ｖ1)で駆動し(Ｓ1-7)、非合焦位置から合焦位置近傍までの到達時間を短縮するようにしている。
【００１８】
しかし、前記ステップ(Ｓ1-6)において、ａ/ｂ＞(ａ′/ｂ′＋Δｋ′)でない場合(Ｓ1-6のNO)、ａは増加しているが、ａ/ｂは増加していないので合焦位置近傍にあると判断して、フォーカスモータ12を低速(速度Ｖ2，Ｖ2＜Ｖ1)で駆動し(Ｓ1-8)、合焦位置近傍での合焦制御を行いやすくすることにより、合焦精度を向上させるようにしている。
【００１９】
前記ステップ(Ｓ1-5)において、ａ＞(ａ′＋Δｋ)でない場合(Ｓ1-5のNO)で、かつａ＜(ａ′−Δｋ)でない場合(Ｓ1-9のNO)にはフォーカスレンズ２をさらに繰り出す(順方向)ようにステップ(Ｓ1-2)へ戻り、またａ＞(ａ′＋Δｋ)でなく(Ｓ1-5のNO)で、かつａ＜(ａ′−Δｋ)である場合(Ｓ1-9のYES)には、合焦点と判断して、その位置までフォーカスレンズ２を逆方向に移動(Ｓ1-10)させた後、停止させるようにする。
【００２０】
図５は本発明の第２実施形態のフォーカスモータの制御に係るフローチャートであり、この第２実施形態は、図３，図４にて説明したように、フォーカスモータを一定方向に駆動し、撮像して得られた映像信号中の輝度成分を積算して評価値を得るものであって、図２にて説明した構成と同様の構成からなる。
【００２１】
図５において、まず評価値の最大値Ｙmaxの初期値化がなされ(Ｓ2-1)、フォーカスモータ12によるフォーカスレンズ２の繰り出し(順方向)を行い(Ｓ2-2)、前述したと同様にして評価値Ｙ1を得る(Ｓ2-3)。この評価値Ｙ1が、第１のしきい値Δｋ1を超えて増加した場合は(Ｓ2-4のNO，Ｓ2-5)、増加ステータス・フラグｉをセットし(Ｓ2-6)、そのときの評価値Ｙ1とフォーカスレンズ位置Ｐ1(モータ繰り出し量でも可)を、それぞれ最大値Ｙmax，Ｐmaxとして記憶する(Ｓ2-7)、そして、ステップ(Ｓ2-2)に戻り、さらにフォーカスモータ12を順方向に駆動させて、評価値Ｙ1を得る。
【００２２】
前記Ｙmaxよりも、第２のしきい値Δｋ2(Δｋ1＞Δｋ2)を超えて大きい値が検出されたときは(Ｓ2-8のYES)、その値をＹmaxとし、同時にＰmaxも更新する(Ｓ2-7)。この処理を直前に取得された評価値より現在の値が第１のしきい値Δｋ1を下回って小さい評価値が検出されるまで繰り返す(Ｓ2-9)。この評価値が検出された場合(Ｓ2-9のYES)、Ｙmaxが検出されたＰmaxの位置を合焦位置とみなして、フォーカスモータ12の回転方向を逆方向になるように設定して、Ｐmax位置にフォーカスレンズ２を戻した後(Ｓ2-10〜Ｓ2-12)、停止させるようにする。
【００２３】
その後は、評価値の監視モードに入り(Ｓ2-13)、評価値の変化が検出された場合(Ｓ2-14のYES)、ステップ(Ｓ2-2)に戻って前述した動作を行い、前記Δｋ1を適切な値に設定することで、ノイズによる誤動作の影響を軽減することができ、また、前記Δｋ2を適切な値に設定することで、合焦位置でのオーバーラン量を最小限とすることができるため、合焦速度を向上させることができる。
【００２４】
ところで、前記各実施形態にあっては、被写体、またその条件，ノイズ等により前記輝度成分に係る評価値の特性曲線にばらつきが生じる場合があり、その場合に合焦位置近傍においても、フォーカスモータを高速で駆動してしまい、合焦位置のオーバーラン量が多くなって、撮影画が見苦しくなるとともに、オーバーラン量に応じて合焦時間が長くなってしまうことがある。
【００２５】
そこで、前記問題を解決するために、本発明の第３実施形態では以下のような制御を行う。この第３実施形態においても、図３，図４にて説明したように、基本的には、フォーカスモータを一定方向に駆動し、撮像して得られた映像信号中の輝度成分を積算して評価値を得るものであって、図２にて説明した構成と同様の構成からなる。
【００２６】
図６は第３実施形態における前記評価値ａ，ａ′，ｂ，ｂ′に基づくフォーカスモータの基本的制御に係るフローチャートであり、現在の評価値ａが最大値でない場合(Ｓ3-1のNO)、フォーカスモータ12を繰り出して(Ｓ3-2)、評価値ａの判定を行い、それが最大値であれば(Ｓ3-3のYES)、その最大値を呈する評価値ａに対応するレンズ位置までフォーカスレンズ２を戻すようにフォーカスモータ12を駆動する(Ｓ3-4)。
【００２７】
前記ステップ(Ｓ3-3)において、評価値ａが最大値でない場合(Ｓ3-3のNO)、フォーカスレンズ２の繰り出しにて変化する評価値ａ，ａ′，ｂ，ｂ′と、予め定められているしきい値Δｋ(評価値ａに対するしきい値)，Δｋ′(評価値比ａ/ｂに対するしきい値)との関係が、ａ＞(ａ′＋Δｋ)であって(Ｓ3-5のYES)、かつａ/ｂ＞(ａ′/ｂ′＋Δｋ′)である場合(Ｓ3-6のYES)には、ａ，ａ/ｂがそれぞれしきい値Δｋ，Δｋ′を超えて増加しているので非合焦位置にあると判断して、フォーカスモータ12を高速(速度Ｖ1)で駆動し(Ｓ3-7)、非合焦位置から合焦位置近傍までの到達時間を短縮するようにしている。
【００２８】
しかし、前記ステップ(Ｓ3-6)において、ａ/ｂ＞(ａ′/ｂ′＋Δｋ′)でない場合(Ｓ3-6のNO)、ａは増加しているが、ａ/ｂは増加していないので合焦位置近傍にあると判断して、フォーカスモータ12を低速(速度Ｖ2，Ｖ2＜Ｖ1)で駆動し(Ｓ3-8)、合焦位置近傍での合焦制御を行いやすくすることにより、合焦精度を向上させるようにしている。
【００２９】
前記ステップ(Ｓ3-5)において、ａ＞(ａ′＋Δｋ)でない場合(Ｓ3-5のNO)で、かつａ＜(ａ′−Δｋ)でない場合(Ｓ3-9のNO)にはフォーカスレンズ２をさらに繰り出す(順方向)ようにステップ(Ｓ3-2)へ戻り、またａ＞(ａ′＋Δｋ)でなく(Ｓ3-5のNO)で、かつａ＜(ａ′−Δｋ)である場合(Ｓ3-9のYES)には、フォーカスレンズ２を逆方向に移動(Ｓ3-10)させた後、繰り出してステップ(Ｓ3-2)に戻る。
【００３０】
図７は第３実施形態における評価値の取得，比較演算と、フォーカスモータ駆動とのタイミングチャートであり、前記フォーカスモータ12を高速で駆動する場合(以下、高速駆動モードという)には、ＣＰＵ11では１フィールドごとに評価値の取得と比較演算を行い、その結果、減少していればフォーカスモータ12の駆動を逆転させる。
【００３１】
この場合に、比較する焦点評価値はフリッカの影響を考慮して、例えば３フィールドおきの値とする。すなわち、図７の(ハ)に示すように、(ｋ+ｎ+３)フィールドの焦点評価値(ｋ+ｎ+３)は、３フィールド前のデータ(ｋ+ｎ)と比較される。その比較結果によって、フォーカスモータ12の駆動を制御する。このようにすることによって、高速でフォーカスモータ12を駆動する場合には、実際は合焦位置近傍であるにもかかわらず、合焦位置近傍ではないと判断して高速で駆動した場合でも、焦点評価値が最大となる位置をオーバーランする量を少なくでき、合焦までの撮影画の見苦しさを軽減でき、合焦時間を短縮できる。
【００３２】
一方、合焦位置近傍である場合にはフリッカの影響を考慮して、例えば３フィールド間隔で焦点評価値を取得演算するとともに、低速でフォーカスモータ12を駆動する。これによって、合焦位置近傍の場合には、合焦位置をオーバーランする量を最小にすることができるとともに、正確な合焦位置での停止が可能となる。
【００３３】
また図７に示すように高速駆動モードの場合には、例えば６ステップの駆動が必要とされる場合にも一度に６ステップ駆動するのではなく、ＶＤ(Vertical Drive)周期に同期して、各ＶＤごとに移動量を２ステップに限定してフォーカスモータ12を駆動することにより、比較の対象となる評価値(例えば、図７の(ｋ)と(ｋ+３)、(ｋ+ｎ)と(ｋ+ｎ+３)など)が受けるモータ駆動の影響を軽減することができるので、高精度の比較が可能となり、ピーク値からの減少を確実に、かつ迅速に検出することができる。
【００３４】
またノイズの影響を回避するために、評価値の２回連続の減少検出で、フォーカスモータ12を逆転する手段が確実に焦点評価値の減少(すなわち、合焦位置から遠ざかる方向)を判定する上で有効である。上述したように、第３実施形態の場合には、フォーカスモータ12を駆動しながら前記減少検出を行っているので、通常の(すなわち、Ｓ／Ｎ比が良好な)被写体の場合には、１回の検出のみによっても十分な信頼性がある。
【００３５】
したがって、高速駆動モード時で、例えばフォーカスモータ12としてステッピングモータを使用した場合に、評価値の比較演算結果により合焦位置の近傍ではなくて、６ステップの駆動が必要な場合(実際は、現在のフォーカスレンズ位置により、６ステップ駆動すると合焦位置をオーバーランしてしまう場合もある)、最初のステップを３ステップとして駆動して、その結果得られた焦点評価値が初めて減少したのであれば、次のステップを最小ステップである１ステップとして駆動して減少の判定を行う。
【００３６】
このようにするのは、上述したように、６ステップの駆動が必要と判断された場合でも、実際には６ステップを要しない場合もあり、最初の３ステップで減少が検出されたら、次回の駆動ステップは、１ステップでも続いて減少が検出される可能性が高いからである。このようにすることで、確実に評価値の減少を検出し、かつ不要なオーバーランを削減することができる。
【００３７】
なお、ステッピングモータ以外のＤＣモータを使用する場合には、ステップ数を制御する代わりに、駆動速度を制御すれば同様な効果を得ることができる。
【００３８】
また各実施形態において、図２の構成にてフォーカスモータ制御回路13への制御信号出力をＣＰＵ11によって行い、また前記演算を演算回路10によって行うが、演算をＣＰＵ11のソフトウェアで行うように構成することは容易であり、このように構成すれば、演算回路10を省略できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の焦点制御装置は、請求項１記載の構成によれば、異なる２つの周波数帯域の輝度成分の比の増減と、一方の輝度成分の増減を検出し、それらの検出結果(評価値)によって合焦位置近傍と非合焦位置でのフォーカスモータの駆動速度を制御し、非合焦位置ではフォーカスレンズを高速駆動し、一方、合焦位置近傍では、非合焦位置のときに比べて、フォーカスレンズを低速駆動し、かつ非合焦・合焦の判断の基になる評価値の取得と比較演算を長い周期で行うようにすることで、合焦位置をオーバーランする量を抑えられるとともに、正確な合焦位置でのフォーカスレンズの停止が可能になり、合焦速度と合焦精度を共に向上させることができる。
【００４０】
請求項２記載の構成によれば、前記輝度成分の増加を検出するしきい値と、増加を検出した後に最大値を検出するしきい値とを異ならせることで、非合焦位置ではノイズ等による評価値の増減の誤判断を少なくでき、合焦位置近傍では合焦位置でのオーバーラン量を少なくできるので、合焦速度を向上させることができる。
【００４１】
請求項３記載の構成によれば、前記高速駆動時に、評価値の取得と比較演算の周期に同期してフォーカスレンズを必要とされる移動量まで所定量ずつ徐々に移動することで、比較対象となる評価値におけるフォーカスモータの駆動の影響を軽減でき、高精度の比較が可能になり、合焦位置の検出が迅速かつ確実になされる。
【００４２】
請求項４記載の構成によれば、前記高速駆動時に、評価値の比較演算の結果から得られた必要とされるフォーカスレンズ移動量まで即座に駆動をせず、最初の駆動ステップで所定の移動量により少ない移動駆動をし、その結果による評価値の比較演算にて合焦位置近傍と判定されたときに(２回連続の合焦位置近傍判定時)、さらに少ない移動量の低速駆動に移行することで、合焦位置の検出が確実にでき、合焦位置のオーバーランを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の焦点制御装置の第１実施形態におけるフォーカスモータ制御に係るフローチャートである。
【図２】本発明の第１実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図３】評価値とフォーカスレンズ繰り出し量との関係図である。
【図４】評価値の比とフォーカスレンズ繰り出し量との関係図である。
【図５】本発明の第２実施形態におけるフォーカスモータ制御に係るフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施形態におけるフォーカスモータ制御に係るフローチャートである。
【図７】本発明の第３実施形態における評価値の取得，比較演算とフォーカスモータ駆動とのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…撮像レンズ系、２…フォーカスレンズ、３…撮像素子、４…カメラプロセス部、５…映像信号処理回路、６，７…バンドパスフィルタ、８，９…積分回路、 10…演算回路、 11…ＣＰＵ、 12…フォーカスモータ、 13…フォーカスモータ制御回路。

Claims

撮像して得られた映像信号中の輝度成分の変化からフォーカス信号を得て、このフォーカス信号に基づいてフォーカス制御を行う焦点制御装置において、任意の異なる２つの周波数帯域の輝度成分の比の増減を検出する手段と、一方の周波数帯域の輝度成分の増減を検出する手段と、前記両手段の検出結果に基づき、任意の異なる２つの周波数帯域の輝度成分の比は増加せず、かつ一方の周波数帯域の輝度成分のみ増加する場合には、合焦位置近傍であると判断し、それ以外の場合には非合焦位置と判断する合焦位置判定手段と、前記合焦位置判定手段により、非合焦位置と判定されたときには、フォーカスレンズを駆動するフォーカスモータの駆動速度を所定の速度に設定するとともに、所定の周期にて前記検出結果の取得と比較演算を行い、合焦位置近傍と判定されたときには、前記フォーカスモータの駆動速度を前記所定の速度より低速にするとともに、前記所定の周期より長い周期で前記検出結果の取得と比較演算を行う手段とを備えたことを特徴とする焦点制御装置。
輝度成分の増加を検出するためのしきい値と、増加を検出した後に最大値を検出するためのしきい値との関係を、合焦位置近傍と非合焦位置とで変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の焦点制御装置。
前記検出結果の取得と比較演算の周期に同期して、その周期ごとに前記フォーカスモータの駆動速度を所定のフォーカスレンズ移動量に限定して駆動することを特徴とする請求項１記載の焦点制御装置。
前記検出結果により合焦位置近傍との判定が最初になされた直後と、その後に同判定がなされたときとで、徐々にフォーカスモータの駆動速度を低速にすることを特徴とする請求項１または３記載の焦点制御装置。